Vakuummetallisering - beskrivelse av teknologi, enhet og anmeldelser. Vakuumavsetning av metaller

Mari statlige tekniske universitet

Institutt for design og produksjon av radioutstyr

Vakuumsprøyting

FORKLARENDE MERKNAD

for kursarbeid i faget

Grunnleggende om faststofffysikk og mikroelektronikk

Utviklet av: student i EVS-31-gruppen

Kolesnikov

Konsultert av: Førsteamanuensis

Igumnov V.N.

Yoshkar-Ola 2003

Introduksjon

1. Termisk vakuumsprøyting

1.1 Resistiv sputtering

1.2 Induksjonssprøyting

1.3 Elektronstråleforstøvning

1.4 Laseravsetning

1.5 Elektrisk lysbuesprøyting

2. Sputtering ved ionebombardement

2.1 Katodesputtering

2.2 Magnetronsputtering

2.3 Høyfrekvent spray.

2.4 Plasmaioneforstøvning i en ikke-selvbærende gassutslipp

3. Teknologi av tynne filmer på orienterende underlag

3.1 Mekanismer for epitaksial vekst av tynne filmer

3.2 Molekylær stråleepitaksi

Konklusjon

Litteratur

INTRODUKSJON

Tynne filmer avsatt i vakuum er mye brukt i produksjon av diskrete halvlederenheter og integrerte kretser (IC).

Å skaffe høykvalitets tynnfilmlag med reproduserbare elektriske parametere er en av de viktigste teknologiske prosesser dannelse av strukturer av både diskrete dioder og transistorer, og aktive og passive elementer i IC.

Dermed påliteligheten og kvaliteten til mikroelektronikkprodukter, det tekniske nivået og økonomiske indikatorer produksjonen deres.

Tynnfilmteknologi er basert på komplekse fysiske og kjemiske prosesser og bruk av ulike metaller og dielektriske stoffer. Således lages tynnfilmmotstander, kondensatorelektroder og sammenkoblinger ved avsetning av metallfilmer, og mellomlagsisolasjon og beskyttende belegg er laget av dielektriske filmer.

Et viktig skritt er å overvåke parametrene til tynne filmer (deres avsetningshastighet, tykkelse og jevnhet, overflatemotstand), som utføres ved å bruke spesielle enheter, som når du utfører individuelle teknologiske operasjoner, og etter fullføring av hele prosessen.

Ion-plasma- og magnetronforstøvningsmetoder er mye brukt i moderne mikroelektronikk. Høye avsetningshastigheter og energien til atomer som faller inn på substratet under avsetningsprosessen gjør det mulig å bruke disse metodene for å oppnå filmer med forskjellige sammensetninger og strukturer, og spesielt for epitaksi ved lav temperatur.

For tiden er det betydelig interesse for forskning på dette området.

Hensikten med dette kursarbeid er en vurdering av de grunnleggende metodene for sprøyting og sprøyting i vakuum, fysiske og kjemiske prosesser, samt en beskrivelse og drift av installasjonene som brukes i disse metodene.

Prosessen med å påføre tynne filmer i et vakuum består i å skape (generere) en strøm av partikler rettet mot underlaget som behandles, og deres påfølgende konsentrasjon for å danne tynne filmlag på overflaten som skal belegges.

For å modifisere egenskapene til en fast overflate, brukes forskjellige ionebehandlingsmoduser. Prosessen med interaksjon av en ionestråle med en overflate reduseres til strømmen av sammenkoblede fysiske prosesser: kondensering, atomisering og penetrering. Utbredelse av det ene eller det andre fysisk effekt bestemmes hovedsakelig av energien E 1 til de bombarderende ionene. Ved E 1 =10-100 eV dominerer kondens over sputtering, så beleggavsetning oppstår. Når ioneenergien øker til 10 4 eV, begynner sputterprosessen å dominere med samtidig innføring av ioner i metallet. En ytterligere økning i energien til bombarderende ioner (E 1 >10 4 eV) fører til en reduksjon i sputteringskoeffisienten og etablering av en ioneimplantasjonsmodus (ionedoping).

Den teknologiske prosessen med å påføre tynnfilmbelegg i vakuum inkluderer 3 hovedtrinn:

Generering av en strøm av partikler av det avsatte stoffet;

Overføring av partikler i foreldet rom fra kilden til substratet;

Avsetning av partikler når de når substratet.

Det er 2 metoder for å påføre vakuumbelegg, som er forskjellige i mekanismen for å generere en strøm av avsatte partikler: termisk sprøyting og sputtering av materialer ved ionebombardement. Fordampede og forstøvede partikler overføres til underlaget gjennom et vakuummiljø (eller atmosfære reaktive gasser og dermed inngå plasmakjemiske reaksjoner). For å øke graden av ionisering av den avsatte stoffstrømmen, spesielle kilder til ladede partikler (for eksempel en termisk katode) eller elektromagnetisk stråling. Ytterligere akselerasjon av bevegelsen av ioner til den behandlede overflaten kan oppnås ved å påføre en negativ spenning på den.

De generelle kravene for hver av disse metodene er reproduserbarheten av egenskapene og parameterne til de resulterende filmene og sikring av pålitelig adhesjon av filmene til underlag og andre filmer.

For forståelse fysiske fenomener som oppstår når du legger tynne filmer i et vakuum, må du vite at prosessen med filmvekst på et underlag består av to stadier: innledende og siste. La oss vurdere hvordan avsatte partikler samhandler i vakuumrom og på underlaget.

Materiepartikler som forlater overflaten av kilden beveger seg gjennom vakuum (sjeldent) rom med høye hastigheter (i størrelsesorden hundrevis og til og med tusenvis av meter per sekund) til substratet og når overflaten, og gir det en del av energien ved kollisjon . Jo høyere substrattemperatur, jo lavere andel overført energi.

Mens den beholder noe overflødig energi, er en materiepartikkel i stand til å bevege seg (migrere) langs overflaten av substratet. Når den migrerer langs overflaten, mister partikkelen gradvis sin overskuddsenergi, og tenderer til termisk likevekt med underlaget, og følgende kan oppstå. Hvis en partikkel mister overskuddsenergi underveis, fester den seg på underlaget (kondenserer). Etter å ha møtt en annen migrerende partikkel (eller gruppe av partikler) på bevegelsesbanen, vil den inngå en sterk binding (metallisk) med den, og skape en adsorbert dublett. Med en tilstrekkelig stor assosiasjon mister slike partikler fullstendig sin evne til å migrere og festes på underlaget og blir et krystalliseringssenter.

Rundt individuelle krystalliseringssentre vokser krystallitter, som deretter vokser sammen og danner en kontinuerlig film. Veksten av krystallitter skjer både på grunn av at partikler migrerer over overflaten og som et resultat av direkte avsetning av partikler på overflaten av krystallitter. Det er også mulig for dubletter å dannes i vakuumrommet når to partikler kolliderer, som til slutt blir adsorbert på underlaget.

Dannelsen av en kontinuerlig film avsluttes innledende fase behandle. Siden kvaliteten på substratoverflaten fra dette øyeblikket slutter å påvirke egenskapene til den påførte filmen, har den innledende fasen avgjørende i deres dannelse. På det siste stadiet vokser filmen til den nødvendige tykkelsen.

Under andre konstante forhold øker en økning i temperaturen på underlaget energien, dvs. mobilitet av adsorberte molekyler, noe som øker sannsynligheten for å møte migrerende molekyler og fører til dannelse av en film med en grov krystallinsk struktur. I tillegg, når tettheten til den innfallende strålen øker, øker sannsynligheten for dannelse av dubletter og til og med polyatomiske grupper. Samtidig fremmer en økning i antall krystalliseringssentre dannelsen av en film med en finkrystallinsk struktur.

Gassens sjeldne tilstand, dvs. en tilstand der gasstrykket i et visst lukket, forseglet volum er under atmosfæretrykket kalles vakuum.

Vakuumteknologi tar viktig sted i produksjon av film IC-strukturer. For å skape et vakuum i arbeidskammer Gasser må pumpes ut av den. Et ideelt vakuum kan ikke oppnås, og i evakuerte arbeidskamre teknologiske installasjoner Det er alltid en viss mengde restgasser, som bestemmer trykket i det evakuerte kammeret (dybde, eller graden av vakuum).

Essens denne prosessen avsetning av tynne filmer består i å varme opp stoffet i vakuum til en temperatur der det øker ved oppvarming kinetisk energi atomer og molekyler av materie blir tilstrekkelig for deres separasjon fra overflaten og fordeling i det omkringliggende rommet. Dette skjer ved en temperatur der trykket til stoffets egne damper overstiger trykket til restgassene med flere størrelsesordener. I dette tilfellet forplanter atomstrømmen seg i en rett linje og ved kollisjon med overflaten fordamper atomer og molekyler kondenserer på den.

Fordampningsprosessen utføres i henhold til det vanlige skjemaet: fast fase - flytende fase - gassform. Noen stoffer (magnesium, kadmium, sink, etc.) går over i gassform og går utenom væskefasen. Denne prosessen kalles sublimering.

Hovedelementene i vakuumavsetningsinstallasjonen, et forenklet diagram som er vist i fig. 1, er: 1 - vakuumhette laget av rustfritt stål; 2 - demper; 3 - rørledning for vannoppvarming eller kjøling av hetten; 4 - nåletut for fôring atmosfærisk luft inn i kameraet; 5 - substratvarmer; 6 - substratholder med et substrat som en sjablong kan plasseres på; 7 - tetningspakning laget av vakuumgummi; 8 - fordamper med et stoff plassert i den og en varmeapparat (resistiv eller elektronstråle).

Hovedformålet med en vakuuminstallasjon er å skape og opprettholde et teknisk vakuum, som oppnås ved å pumpe ut blandingen fra systemet. Vakuumenheter er mye brukt i metallurgisk, tekstil-, kjemisk-, bil-, mat- og farmasøytisk industri. Hoveddelene av installasjonen inkluderer en pumpe, et panel med filtre og en kamerakontrollenhet.

Navigasjon:

Påføring av vakuuminstallasjoner

Vakuumenheter kan brukes til laboratorieforskning. Inkludert i mikroskoper, kromatografer, fordampere og filtreringssystemer. For disse formålene, en enhet som ikke vil okkupere stort område. Ytelsen til slike enheter kommer ikke først. Oftest er dette en forvakuum eller turbomolekylær pumpe. Ved arbeid med aggressive gasser beste alternativet– membranpumpe.

Vakuuminstallasjoner spiller en viktig rolle i testing av utstyr. De gir den nødvendige stigningshastigheten fly. For at start- eller landingsprosessen skal fortsette vellykket, er det nødvendig å sikre høy hastighet pumping.

Tørrpumper brukes til halvleder- og deponeringsvakuuminstallasjoner, for deponering av materialer. Ideell for å skape ultrahøyt vakuum. Disse inkluderer turbomolekylære og kryogene pumper.

Metallurgisk industri bruker aktivt pumper som har tilstrekkelig gjennomstrømning. De må være slitesterke, siden systemet inneholder støv og skitt. Klo og skruepumper utføre for-vakuumpumping. Det er mulig å bruke diffusjonspumper.

Vakuumenhet 976A er en laboratorietype. Den er designet for å bestemme vannmetningen til asfaltbetong under laboratorieforhold. Arbeidsvolumet til kammeret er 2 liter. Vakuuminstallasjonen er i stand til å skape et sluttvakuum med en verdi på 1x10-2.

Elementer av vakuuminstallasjoner

Vakuuminstallasjoner skaper og opprettholder et arbeidsvakuum i et visst forseglet volum. Som regel brukes elementer som har samme formål til dette formålet. ulike typer installasjoner. De inkluderer en kontrollenhet med et kontrollstativ, en vakuumenhet, en sub-cap-enhet, kjølesystemer og et vakuumsystem og en lokkeløfter. Vakuumsystemet består av enhver type pumpe, vakuumenhet, rørledninger, vakuummåler og elektromagnetisk lekkasje.

Vakuumenheter Busch

Busch vakuumenheter er først og fremst høykvalitets vakuumpumper. Selskapet produserer enheter som rotasjonsvingemodellen til R5-vakuumpumpen. Det utmerker seg med høy kvalitet og ytelse. Maksimumstrykket til enheten varierer fra 0,1 til 20 hPa. Pumpehastigheten til mediet når 1800 m3/t. For det andre er dette kampumper og kompressorer. En av disse er Mink-modellen. Mye brukt i industrien. Spesielt der det er nødvendig å opprettholde et konstant vakuumnivå. Maksimalt trykk varierer fra 20 til 250 hPa. Pumpehastigheten kan nå 1150 m3/t.

Vakuuminstallasjoner Bulat

Et eksempel på installasjoner for påføring av tynnfilmbelegg er Bulat-modellen. Den påfører film ved hjelp av en vakuum-plasma-metode. Kan produsere belegg gjennom andre elektrisk ledende materialer. Disse er molybden, zirkonium, nitrid og karbonitrid. Opprinnelig ble modellen utviklet for å belegge metallproteser. Installasjonen inkluderer en pumpestasjon, et forvakuumverktøy og tilhørende elektrisk utstyr.

Andre produsenter av vakuumsystemer

Agilent Technologies er en av de største produsentene av vakuumutstyr. Selskapet har satt i gang produksjon vakuumpumper, lekkasjedetektorer, vakuummålere, vakuumoljer og andre komponenter i systemer.

Air Dimensions Inc. spesialiserer seg på masseproduksjon av høykvalitets membran-type pumper, som utfører prøvetaking av korrosive gasser, samt tørre membrankompressorer.

Edwards produserer laboratorie- og industrivakuumutstyr. Blant dem er vakuumpumper, vakuummålere og mer. hjelpeutstyr. Kjent for utgivelsen bredt utvalg pumper av forskjellige typer.

Vakuumsprøyteanlegg

Ved hjelp av en vakuumavsetningsinstallasjon (VSP) produseres belegg ulike deler belegg som utfører ledende, isolerende, slitasjebestandige, barriere- og andre funksjoner. Denne metoden er den vanligste blant andre mikroelektroniske prosesser der metallisering brukes. Takket være slike installasjoner er det mulig å få antireflekterende, filtrerende og reflekterende belegg.

Aluminium, wolfram, titan, jern, nikkel, krom, etc. kan brukes som beleggmaterialer. Om nødvendig kan acetylen, nitrogen og oksygen tilsettes mediet. Aktivering kjemisk reaksjon under oppvarming, ionisering og dissosiasjon av gass. Etter belegningsprosedyren, tilleggsbehandling ikke nødvendig.

UVN-71 P-3-installasjonen er i stand til å teste teknologisk sprøyting. Det er involvert i serieproduksjonen av forskjellige filmkretser. Med dens hjelp produseres tynne filmer under høyvakuumforhold. Metoden som brukes er resistiv fordampning av metaller.

UV-24 vakuumenheten utfører laboratorietester av asfaltbetong. Hjelper med å bestemme kvaliteten. Særpreget trekk av denne enheten - tilstedeværelsen av to pumpede tanker, som er koblet til hverandre.

Magnetronspruting

Ved magnetronsputtering avsettes en tynn film ved hjelp av katodesputtering. Enheter som bruker denne metoden kalles magnetronsputterere. Denne installasjonen kan produsere sprøyting av mange metaller og legeringer. Ved bruk i ulike arbeidsmiljøer med oksygen, nitrogen, karbondioksid, etc. filmer med forskjellige sammensetninger oppnås.

Ionespruting

Prinsippet for drift av en ioneinstallasjon i et vakuum er bombardement av faste stoffer med ioner. Når substratet er plassert i et vakuum, faller atomer på det og det dannes en film.

Andre sprøytemetoder

Vakuumsprøyting kan utføres ved bruk av periodisk og kontinuerlig utstyr. Installasjoner med periodisk handling brukes for et visst antall bearbeidede produkter. Ved masse- eller batchproduksjon brukes kontinuerlige anlegg. Det finnes enkelt- og flerkammertyper av sprøyteutstyr. I flerkammerinstallasjoner er sprøytemodulene ordnet i serie. Alle kamre er sprayet med et bestemt materiale. Mellom modulene er det luftslusekamre og en transportanordning. De utfører operasjoner for å skape et vakuum, fordampe filmmaterialet og transportere separat.

Vakuum enheter

Vakuumvannringpumpeenhet type VVN 12 produserer sug av luft, ikke-aggressive gasser og andre blandinger som ikke kan renses for fuktighet og støv. Gassen som kommer inn i installasjonen krever ikke rensing.

Spoleventilens vakuumenhet AVZ 180 er universal, har god indikator maksimalt resttrykk, lav vekt og er rask og kompakt.

Tekniske egenskaper for AVZ 180 vakuumspoleventilenhet.

Vakuumenheten AVR 50 er i stand til å pumpe ut luft, ikke-aggressive gasser, damper og damp-gassblandinger fra vakuumrom. Den er ikke beregnet for å pumpe de ovennevnte forbindelsene fra en beholder til en annen. Den består av to pumper: NVD-200 og 2NVR-5DM.

TEORETISK INFORMASJON

Den raske utviklingen av produksjonen av mikroelektroniske enheter (MED-er) i det siste tiåret har ført til etableringen av arbeidsutstyr som ville ha minst mulig innvirkning på prosessen med å danne tynne filmer og ville tillate parametrene deres å bli kontrollert. Som et resultat er det for tiden stort utvalg vakuuminstallasjoner, komponenter, samt materialer og installasjonsmetoder som gjør det mulig å løse komplekse teknologiske problemer i produksjonen av MEP-er.

Prosessen med å oppnå tynne filmer foregår i vakuummiljøet til underdekselanordningen til vakuuminstallasjonen. For å redusere trykket i underlokkanordningen kan to prinsipper brukes. I det første fjernes gassen fysisk fra vakuumkammeret og slippes ut utenfor. Et eksempel på denne virkemåten er mekaniske og dampstråle-, damp-oljepumper. En annen metode for pumping er basert på kondensering eller fangst av gassmolekyler på en del av overflaten av vakuumkammeret uten å fjerne gassen til utsiden. Kryogene, getter- og gettero-ion-pumper er designet etter dette prinsippet.

Et kvantitativt mål på gassoverførings- eller absorpsjonskapasiteten til en pumpe er ytelsen (Q). Produktiviteten avhenger av trykket i den pumpede enheten og er definert som mengden gass som strømmer gjennom sugerøret til en arbeidspumpe per tidsenhet ved t = 20 0 C:

Q = Fp · P,

hvor Fp – pumpehastighet, l/s; P – trykk av pumpede gasser, mm Hg. Kunst.

En annen parameter som karakteriserer driften av pumpen er pumpehastigheten Fp, som er definert som forholdet mellom pumpens ytelse og partialtrykket til en gitt gass nær pumpeinnløpet:

Fp = Q/P

De fleste vakuumpumper har en nesten konstant pumpehastighet over et område på flere rekkefølger av gasstrykk. Over og under dette området synker det kraftig, så pumping med denne typen vakuumpumpe blir ineffektiv.

Når du velger en pumpe for en vakuuminstallasjon, er det nødvendig å huske at selve pumpene, under visse forhold, er kilder til restgasser i vakuumkammeret. Ulike typer pumper varierer sterkt både i mengde og art av gassene som slippes ut. Spor av damper av organiske forbindelser forårsaket av arbeidsvæskene som brukes i pumper er spesielt skadelige.

Hovedparametrene til pumpen inkluderer også det maksimale trykket Pg - dette er minimumstrykket som kan oppnås ved å bruke en vakuumpumpe hvis selve pumpen ikke avgir gasser.

For rotasjonspumper avhenger Pg av "ulempevolumet" til pumpen (det vil si den delen av kompresjonskammeret hvorfra gassen som kommer fra objektet som pumpes ikke kan fortrenges) og damptrykket til stoffene, som olje , brukt til forsegling. For dampstrålepumper avhenger Pg av hastigheten til dampmolekylene i dysen, hastigheten til gassmolekylene i det pumpede volumet og molekylvekten til gassen.

Det tillatte ytre (innløps)trykket er maksimum tillatt trykk gass ​​ved pumpeutløpet, det vil si trykket der pumpehastigheten fortsatt forblir lik maksimalverdien. For forvakuumpumper som komprimerer gass til atmosfæretrykk, er det tillatte utløpstrykket lik atmosfærisk trykk for høyvakuumpumper, det tillatte utløpstrykket er lik forvakuumtrykket.

Prosessen med å pumpe ut en hetteanordning med et volum V og et starttrykk Po, utført av enhver pumpe med en pumpehastighet Fp og et maksimalt trykk Pg kan beskrives ved å bruke differensialligning, avledet på grunnlag av Boyle-Mariotte-loven. Trykkfallet over tid er beskrevet følgende ligning:

DP/dt = Fp/V(P - Pg) (1)

Løsningen av denne differensialligningen vil gi en karakteristikk av endringen i trykk P i det utpumpede karet med tiden t.

I tilfellet med en "ideell" pumpe Fp = Fp max = const – pumpekarakteristikken P er en rett linje. Hastighet for å pumpe Fp alle tekniske pumper i motsetning til "ideelle" avhenger det av press , og derfor er tidskarakteristikkene til trykkendringer vanligvis ikke oppnådd ved beregning, det vil si ved å integrere ligning 1, men bestemmes fra eksperiment.

INSTALLASJONSANORDNING FOR VAKUUMSPRYTTE

Vakuuminstallasjonen er utformet for å skape og opprettholde et vakuum i arbeidsvolumet (innretning under hetten). Installasjonen består av en vakuumenhet og et kontrollstativ. Strukturelt sett er vakuumenheten (fig. 1.1) et hus 1, hvorpå en underdeksel 2 er installert. Et vakuumsystem, et kjølesystem. gasssystem og en hydraulisk drivenhet for å løfte panseret. I underdekselanordningen er driftsgasstrykket innstilt fra 1·10 -3 til 5·10 -4 mm Hg. Kunst. og materialene til det forstøvede målet avsettes på substratet ved bruk av en sputteranordning.

Vakuumsystemet til installasjonen (fig. 1.2) består av en mekanisk pumpe NVR-5D og en vakuumenhet VA-2-3R-N, en ventilboks, en elektromagnetisk lekkasje, rørledninger og sensorer for måling av trykk.

Fig.1.1. Utseende installasjoner: 1 – kropp; 2 - hette; 3 – system

vakuum; 4 - kjølesystem; 5 - blandemekanisme;

6 - sprøyteanordning; 7 - ventilboks; 8 – vakuummåler

Vakuumsystemets rørledninger kobler den til den mekaniske pumpen, underdekselet og utløpsrøret til damp-oljepumpen. Lekkasjeventilen er designet for å redusere trykket i arbeidsvolumet.

Pumpemidlene til vakuumsystemet til installasjonen styres av kontrollenheten vakuumsystem.

For å starte den mekaniske pumpen må du slå på den tilsvarende vippebryteren på kontrollpanelet. I dette tilfellet utløses magnetstarteren, som med en normalt åpen kontakt blir selvlåsende, og med de tre andre kontaktene slår på den elektriske motoren som driver den elektromekaniske pumpen i vakuumenheten.

Fig.1.2. Vakuuminstallasjonssystem: 1 – mekanisk pumpe NVR-5D;

2 - nedre håndtak på ventilboksen; 3 - elektromagnetisk lekkasje;

4 – øvre håndtak på ventilboksen; 5 - ventilboks;

6 - termoelement; 7 - trykkmåler; 8 - lekkasjeventil;

9 - lukker; 10 – vakuumenhet type VA-2-3RM; 11 – rørledninger

For å slå på den mekaniske pumpen, må du slå på den tilsvarende vippebryteren på kontrollpanelet. I dette tilfellet aktiveres en magnetisk starter, som

en normalt åpen kontakt går over til selvlåsende, og de tre andre kontaktene slår på den elektriske motoren som driver den elektromekaniske pumpen i vakuumenheten

Å slå på varmeren til EN-1 dampoljepumpen er bare mulig etter å ha slått på den mekaniske pumpen, siden magnetstarteren drives gjennom en normalt åpen kontakt på magnetstarteren, og signallampen på kontrollpanelet lyser.

Ved hjelp av ventilboks 2 er all kobling av vakuumsystemet nødvendig for driften av installasjonen. Ventilbokskontrollen er plassert på den fremre stolpen av installasjonen (fig. 1.1). Når det øvre håndtaket på den mekaniske pumpen trekkes ut, pumpes arbeidsvolumet til underdekselet ut når det nedre håndtaket er trukket ut, pumpes hulrommet til dampoljepumpen ut.

Den elektromagnetiske lekkasjen er plassert på ventilboks 5 og er designet for å slippe atmosfærisk luft inn i rørledningen til en mekanisk pumpe.

Den elektromagnetiske lekkasjen slås på av "lednings"-bryteren plassert i vakuumsystemets kontrollenhet. Lekkasjen virker kun hvis den mekaniske pumpen er slått av. Når det nedre håndtaket på ventilboksen forlenges, slipper den samme lekkasjen atmosfærisk luft inn i hulrommet til damp-oljepumpen. Strukturelt er lekkasjen en solenoid, hvis endedel er laget i form av en tetningsventil. Ventilen har et porøst glassfilter som fanger opp støvpartikler fra luften.

Vakuumkontroll utføres av en VIT-2 vakuummåler fra sensorer koblet til den ved hjelp av bryteren "Sensorvalg".

Når "Sensor Selection"-bryteren er satt til posisjon "1", måler vakuummåleren det lave vakuumet i forlinjen. Når den er satt til posisjon "2", måles det høye vakuumet i underdekselet ved hjelp av en ioniseringstrykksensor når den er slått til posisjon "0", er begge sensorene slått av.

Mekanisk vakuumpumpe. En pumpe av vinge-rotor-type med oljetetning er designet for å pumpe ut luft, kjemisk inaktive gasser og damp-gassblandinger som ikke påvirker konstruksjonsmaterialer og arbeidsvæske. Slike pumper kan normalt pumpe ut kondenserte damper og damp-gassblandinger med akseptable konsentrasjoner.

Prosessen med å pumpe gasser i roterende vingepumper er basert på mekanisk sug av gass på grunn av periodisk økning i arbeidskammeret.

Prinsippet for drift av en slik pumpe er illustrert i figur 1.3 og fortsetter som følger.

Fig.1.3. Roterende vingepumpe: 1 – sylinder; 2 - rotor; 3 - skulderblader;

4 - våren; 5 - ventil; A og B – hulrom

I sylinder 1 roterer en eksentrisk installert rotor 2 i retningen angitt av pilen. Bladene 3 er plassert i sporet til rotoren, som presses mot indre overflate sylinder. Når rotoren roterer, glir bladene langs den indre overflaten av sylinderen, hulrommet dannet av sylinderen, rotoren og bladene er delt inn i hulrom A og hulrom B.

Når rotoren roterer, øker volumet av hulrom A periodisk og gass kommer inn i det fra det utpumpede systemet; volumet av hulrom B avtar periodisk og kompresjon oppstår i det. Den komprimerte gassen slippes ut gjennom ventil 5. Tetningen mellom sugehulene A og kompresjonen B utføres ved hjelp av en oljefilm. Slik fungerer en ett-trinns pumpe. I en to-trinns design er utgangen fra det første trinnet koblet til inngangen til det andre trinnet og gassen slippes ut i atmosfæren gjennom ventilen.

Alle roterende vingepumper har lignende design, men er forskjellige i størrelse, noe som bestemmer pumpehastigheten til pumpene. Utformingen av en ett-trinns roterende vingepumpe er vist i figur 1.4.

Når pumpen kobles til et vakuumsystem, må rørledningen ha en kort lengde og en stor diameter, ikke mindre enn diameteren på pumpeinnløpet. Unnlatelse av å overholde disse betingelsene fører til en reduksjon i pumpehastigheten til pumpen.

Den mekaniske lamellpumpen VN-05-2 som brukes i installasjonen har følgende hovedledning ytelsesegenskaper:

Pumpehastighet 0,5 l/s

Resttrykk 5·10 -3 mm Hg. Kunst.

Høyvakuum dampoljepumpe. Høyvakuum damp-oljepumpe N-05 er designet for å pumpe luft, ikke-aggressive gasser, damper

og damp-gassblandinger.

Pumpen må kun fungere sammen med en ekstra forutløpspumpe. Plasseringen av dampoljepumpen i et høyvakuumsystem er vist i figur 1.5.

Mye brukte tre-trinns damp-oljepumper består av følgende hovedkomponenter: hus, dampledning, elektrisk varmeapparat, oljeslinger og hydraulisk relé. Pumpedesignet er vist i figur 1.5.

Pumpehus 1 er en stålsylinder med en bunn sveiset til seg, en innløpsflens 2, et utløpsrør med en flens 3. For å installere ejektordelene er det en forseglet flens 4 på utløpsrøret.

Fig.1.5. Generell visning pumpe: 1 – elektrisk varmeapparat; 2 - dampledning; 3 - kropp; 4 - oljedeflektor; 5 - dyse; 6 - rumpepute;

7 - dyse; 8 - rumpepute; 9 – ejektordyse

Den viktigste strukturelle delen av pumpen er en dampledning der oljen sirkulerer på en slik måte at oljedamp fra kjelen plassert i den nedre delen av huset gjennom dampledende kanaler kommer inn i øvre, nedre og ejektordyser, og kommer ut, hvorfra de kondenserer på de kalde veggene til pumpehuset og utløpsrøret. Når oljen strømmer inn i kjelen, kommer oljen først inn i den delen av kjelen som er koblet til den siste (eksos)dysen, og først til slutt, passerer den gjennom labyrinten, kommer den inn i den delen som er koblet til den mest kritiske interne dampledningen som leverer damp til høy- vakuum munnstykke. Takket være dette fungerer høyvakuummunnstykket nærmest det pumpede objektet kun på olje som har det laveste mettede damptrykket, og munnstykket nærmest forutløpspumpen opererer på de letteste fraksjonene.

Pumpens dampledning er tre-trinns. De to første trinnene er av paraplytype, det tredje trinnet er ejektor. Oljedamp fra kjelen passerer gjennom dampledninger inn i dysene til de tre trinnene i pumpen og, som strømmer ut av dem, danner stråler. Den pumpede gassen diffunderer inn i dampstrålene og overføres av dem til før-utslippsområdet. Dampen, etter å ha nådd den avkjølte veggen til pumpen, kondenserer og strømmer tilbake i kjelen.

Pumpen startes i følgende rekkefølge:

a) slå på forvakuumpumpen og åpne ventilen og pump ut systemet

med en damp-oljepumpe opp til et trykk på 5·10 -2 - 1·10 -2 mm Hg. Kunst.;

b) la inn vann for å avkjøle pumpehuset;

c) slå på den elektriske varmeren til damp-oljepumpen.

For å stoppe pumpen, slå på den elektriske varmeren til pumpen og tilfør vann for å avkjøle bunnen. Etter at pumpen er avkjølt, lukk ventilen, slå av forvakuumpumpen og stopp vanntilførselen.

Hovedegenskaper til dampoljepumpe:

Maksimalt resttrykk ikke mer enn 5·10 -7 mm Hg. Kunst.

Pumpehastighet Fp 500 l/s

Maksimalt utløpstrykk er ikke mindre enn 0,25 mmHg. Kunst.

Innstrømning av atmosfærisk luft er ikke mer enn 0,02 l×mm Hg. st./s

Oljeklasse VM-1 GOST 7904-56

foreløpig utladning VN-2MG eller NVR-5D

PROSEDYRE FOR UTFØRELSE AV ARBEIDET

1. Slå på installasjonen der "nettverks"-maskinen er slått på "På".

2. Slå på den mekaniske pumpen ved å flytte bryterknappen til "På"-posisjon.

3. Evakuer volumet til damp-oljepumpen, åpne den nedre ventilen på ventilboksen.

4. Slå på damp-oljepumpevarmeren med "På" vippebryteren.

5. 35 - 40 minutter etter at du har slått på damp-oljepumpevarmeren, slå på nitrogenmateren.

6. Etter å ha varmet opp damp-oljepumpen, lukk den nedre ventilen og utfør foreløpig pumping av underdekselvolumet ved å åpne den øvre ventilen på ventilboksen.

7. Ta og plott P(t)-karakteristikken under pumping på en mekanisk pumpe for dette, registrer avlesningene til en termoelementvakuummåler hvert 10. minutt i en time. Oppsummer dataene i en tabell og tegn en P(t)-kurve.

8. Fjern og plott karakteristikken P(t) for diffusjonspumpen. Utfør eksperimentet på samme måte som i punkt 7.

9. Vurder egenskapene til begge pumpene når førvakuumnivået er nådd: mekanisk innen 40 minutter, høyvakuum innen 1 time.

10. Gi en konklusjon om det foreløpige vakuumet som kan oppnås med det foreslåtte pumpesystemet.

11. Presenter dataene som er oppnådd under forsøket i form av tabeller og grafer.

TEST SPØRSMÅL

1. Hvordan klassifiseres vakuum? Forklar driftsprinsippet for vakuumavsetningsinstallasjonen og formålet med komponentene.

2. Forklar riktig rekkefølge slå på og av vakuumpumper inn vakuum installasjon. Forklar hvordan maksimalt vakuum som kan oppnås i en slik installasjon begrenses.

3. Forklar driften av en dampoljepumpe.

4. Forklar virkemåten til en mekanisk pumpe.

5. Forklar prinsippet for vakuummåling og driften av termion- og ioniseringssensorer.

6. Forklar formålet med og funksjonen til lekkasjeventilen.

7. Forklar prinsippet for virkemåte og oppbygning av nitrogen- og elektromagnetiske feller.

8. Kommenter de oppnådde vakuumegenskapene til installasjonen.

Hei venner.

Så, historien begynte litt tidligere, da vi hadde et vakuumkammer. Hennes vei til oss var ikke nær og kan beskrives i en egen historie, men dette, som de sier, er "en helt annen historie." Jeg vil bare si at enda tidligere ga det noen fordeler for folk i et av laboratoriene ved Universitetet i Göttingen.

Det første vi begynte å bruke vakuumkammeret på var å teste en metode for termisk avsetning av metaller på underlag. Metoden er enkel og like gammel som verden. Et mål av sputtered metall, for eksempel sølv, er plassert i en molybden-digel. Plassert rundt den varmeelement. Vi brukte wolfram rhenium legert tråd, som ble viklet i en spiral.

Den komplette termiske sprayenheten ser slik ut:

Utstyr for termisk sprøyting av metaller. EN. Montert (beskyttelsesskjerm og ventil fjernet). Betegnelser: 1 – smeltedigel, 2 – varmeelement, 3 – dampledning, 4 – strømledning, 5 – termoelement, 6 – prøveramme.

Etter å ha passert strøm (den går inn i vakuumkammeret gjennom forseglede ledninger), varmes spiralen opp, varmer opp båten, der målmaterialet også varmes opp og fordamper. En sky av metallisk damp stiger gjennom dampledningen og omslutter legemet som metallfilmen må avsettes på.

Selve metoden er enkel og god, men det er også ulemper: høyt energiforbruk, det er vanskelig å lokalisere overflatene (legemene) i dampskyen som filmen skal avsettes på. Vedheft er heller ikke det beste. Gjelder til forskjellige materialer, inkludert metaller, glass, plast osv. Hovedsakelig for forskningsformål, siden vi bare mestret vakuumutstyr.

Nå er det turen til å snakke om vakuumsystemet. Vi utførte forsøkene i et vakuumkammer utstyrt med et vakuumsystem bestående av en roterende forvakuum- og turbomolekylær pumpe og ga et resttrykk på 9,5 10 -6 - 1,2 10 -5 mmHg.
Hvis det ved første øyekast ser ut til at det ikke er komplisert, så er det faktisk ikke det. For det første må selve kammeret ha den tettheten som er nødvendig for å opprettholde et høyt vakuum. Dette oppnås ved å tette alle funksjonelle flenser og åpninger. De øvre og nedre flensdekslene har i prinsippet det samme, gummipakninger, som de minste hullene beregnet for installasjon av vinduer, sensorer, enheter, trykktetninger og andre flensdeksler, bare med mye større diameter. For eksempel for å forsegle et slikt hull pålitelig

Krever flens, pakning og maskinvare som vist på dette bildet.

Denne sensoren måler vakuumet i kammeret, signalet fra det sendes til en enhet som viser nivået av høyvakuum.

Vakuum nødvendig nivå(for eksempel 10-5 mmHg), oppnås som følger. Først pumpes et lavt vakuum ut til et nivå på 10-2 ved hjelp av en forvakuumpumpe. Når dette nivået er nådd, slås en høyvakuumpumpe (turbomolekylær) på, hvis rotoren kan rotere med en hastighet på 40 000 rpm. Samtidig fortsetter forvakuumpumpen å fungere - den pumper ut trykk fra selve turbomolekylærpumpen. Sistnevnte er en ganske lunefull enhet, og dens "tynne" struktur spilte en viss rolle i denne historien. Vi bruker en japansk turbomolekylær pumpe fra Osaka vakuum.

Det anbefales å slippe ut luften med oljedamp pumpet ut av kammeret og ut i atmosfæren, siden fine dråper olje kan "sprute" hele rommet.

Etter å ha funnet ut vakuumsystemet og jobbet med termisk sputtering, bestemte vi oss for å prøve en annen metode for filmavsetning - magnetron. Vi hadde lang erfaring med å kommunisere med ett stort laboratorium, som brukte funksjonelle nanobelegg på oss for noen av våre utviklinger ved bruk av magnetronforstøvningsmetoden. I tillegg har vi ganske nære bånd med noen avdelinger ved MEPhI, MVTU og andre universiteter, som også hjalp oss med å mestre denne teknologien.

Men over tid ønsket vi å bruke flere av mulighetene som vakuumkammeret gir.

Snart hadde vi en liten magnetron, som vi bestemte oss for å tilpasse for filmavsetning.

Det er magnetronvakuummetoden for avsetning av tynne metall- og keramiske filmer som regnes som en av de mest produktive, økonomiske og enkle å betjene blant alle fysiske avsetningsmetoder: termisk fordampning, magnetron, ion, laser, elektronstråle. Magnetronen er installert i en av flensene, som praktisk for bruk. Dette er imidlertid fortsatt ikke nok for sputtering, siden det krever tilførsel av en viss spenning, kjølevann og gasser for å sikre antennelse av plasmaet.

Teoretisk ekskursjon

Forenklet er magnetronen utformet som følger. På basen, som også fungerer som en magnetisk krets, er det plassert sterke magneter som danner et sterkt magnetfelt. På den annen side er magnetene dekket med en metallplate, som fungerer som en kilde til sputtered materiale og kalles et mål. Potensial påføres magnetronen, og jord påføres kroppen til vakuumkammeret. Potensialforskjellen dannet mellom magnetronen og kamerahuset i en sjeldne atmosfære og magnetisk felt fører til følgende. Et atom av den plasmadannende gassen argon er utsatt for virkningen av magnetiske og elektrisk felt og blir ionisert under deres påvirkning. Det rømte elektronet tiltrekkes av kamerahuset. Det positive ionet tiltrekkes av magnetronmålet og, akselerert under påvirkning av magnetfeltlinjene, treffer målet og slår ut en partikkel fra det. Det flyr ut i en vinkel motsatt vinkelen der argonatomionet traff målet. En metallpartikkel flyr fra målet mot substratet som ligger overfor det, som kan være laget av hvilket som helst materiale.

Våre universitetsvenner laget en likestrømsforsyning for denne magnetronen med en effekt på rundt 500 W.

Vi bygde også et gassinjeksjonssystem for plasmadannende argongass.

For å plassere gjenstander som filmer skal sprayes på, bygde vi følgende enhet. Kammerdekselet har teknologiske hull som forskjellige enheter kan installeres i: elektriske tetninger, bevegelsestetninger, gjennomsiktige vinduer, sensorer, etc. Vi installerte en trykktetning for den roterende akselen i et av disse hullene. Utenfor kameraet brukte vi rotasjon på denne akselen fra en liten elektrisk motor. Ved å sette trommelrotasjonshastigheten til ca. 2-5 hertz, oppnådde vi god ensartet filmpåføring rundt omkretsen av trommelen.

Nedenfra, dvs. Inne i kammeret festet vi en lettmetallkurv til skaftet, som du kan henge gjenstander på. I en papirbutikk selges en slik standard trommel som en avfallskurv og koster omtrent 100 rubler.

Nå hadde vi på lager nesten alt nødvendig for filmavsetning. Vi brukte følgende metaller som mål: kobber, titan, rustfritt stål, aluminium, kobber-krom legering.

Og de begynte å samle støv. Gjennom de gjennomsiktige vinduene inn i kammeret var det mulig å observere gløden til plasmaet på overflaten av magnetronmålet. Dette er hvordan vi kontrollerte "med øyet" øyeblikket med plasmaantenning og intensiteten av sputtering.

Metoden for å kontrollere beleggtykkelsen ble oppfunnet ganske enkel. Det samme stykket folie med et målt overflateareal ble plassert på trommelen og massen ble målt før og etter sprøytingen. Ved å vite tettheten til det sprøytede metallet, ble tykkelsen på det påførte belegget lett beregnet. Beleggtykkelsen ble justert enten ved å endre avsetningstiden eller ved å justere spenningen på magnetronstrømkilden. Dette bildet viser presisjonsskalaer som lar deg måle massen av prøver med en nøyaktighet på ti tusendeler av et gram.

Vi brukte det på ulike materialer: tre, metaller, folie, plast, papir, plastfilmer, stoffer, kort sagt, på alt som kunne plasseres i kammeret og festes til trommelen. Vi var hovedsakelig fokusert på å oppnå dekorative effekter - å endre fargen eller den taktile oppfatningen av overflaten. Disse organiske og uorganiske prøvene viser forskjellen i farge før og etter påføring av forskjellige metallfilmer.

Fargeforskjellen før og etter sprøyting er enda tydeligere synlig på tekstiler og filmer. Her er det riktige stykket av det vanlige polyetylen film– ikke sprayet, men den venstre er dekket med et lag kobber.

En annen effekt som kan brukes til ulike formål er ledningsevnen til tynne filmer på underlag. Dette bildet viser motstanden til et stykke papir (i ohm) som er påført en titanfilm som er litt mer enn en mikron tykk.

Vi har valgt flere retninger for videre utvikling. En av dem er å forbedre effektiviteten av filmavsetning ved hjelp av magnetroner. Vi skal "ta en svingom" på vår egen utvikling og produksjon av en kraftigere magnetron like høy som et kamera og med en kraft som er 2 ganger større enn den som er vist i dette essayet. Vi ønsker også å teste teknologien for reaktiv sputtering, når det sammen med den plasmadannende gassen argon, for eksempel, tilføres oksygen eller nitrogen i kammeret, og under filmforstøvningen dannes det ikke rene metallfilmer på overflaten av underlaget. , men oksider eller nitrider, som har en annen rekke egenskaper enn rene metallfilmer.

Behandling av overflater ved hjelp av metoden for vakuumavsetning av metaller gjør det mulig å forbedre positive egenskaper produkter fra ulike materialer. Metalldeler er beskyttet mot korrosjon, leder elektrisitet bedre og blir mer estetisk tiltalende i utseende. Metallisering av plastprodukter lar deg få høykvalitets og vakre deler fra lettere og billigere materialer. Dette gjelder spesielt for bilindustrien, fordi metallisering plastkomponenter lar deg redusere vekten av biler betydelig. En metallisert pels gir pelsen eksklusivitet, unikhet og er en ny trend for sesongen.

Hos Alfa-K kan du bestille vakuummetallsprøyting for produkter laget av ulike materialer, inkludert pels.

Metoder

Essensen av teknologien er at i vakuumforhold spesialutstyrørsmå metallpartikler overføres til arbeidsflate blanks. Under dannelsen av belegg fordamper startmetallet, kondenserer, absorberes og krystalliseres i et gassformet miljø, og skaper et holdbart belegg. Avhengig av typen arbeidsstykke, egenskapene til metallfilmen og den valgte avsetningsmodusen, oppnås et bredt utvalg av effekter. Nesten hvilket som helst metall kan sprayes: aluminium, nikkel, krom, kobber, bronse, gull, titan, etc. Med tanke på de spesifikke egenskapene og egenskapene krever hvert metall forskjellige moduser og teknikker. For eksempel, på grunn av lav slitestyrke, krever en spesiell teknologi vakuumavsetning av aluminium. Det er derfor selskapet vårt sysselsetter utelukkende høyt kvalifiserte og erfarne spesialister. Metallisering utføres på forskjellige måter.

Vakuum-plasma

I slike systemer, under et visst gasstrykk, dannes et metallisert belegg av høy varme kilde til metall, som et resultat av at det fordamper og partikler legger seg på arbeidsstykket. Kammeret kan være av metall eller glass, alltid med vannkjølesystem. Følgende fordampere brukes til å varme det sprøytede elementet:

• direkte varmetråd eller stripe wolfram eller molybden fordamper;
• elektron-radial, skaper oppvarming ved hjelp av elektrisk bombardement.

I samsvar med kildemetallet eller legeringen som må sprayes på delen, er oppvarmingstemperaturen i varmeveksleren satt til 20 tusen °C. Hvis det sprayede metallet ikke er veldig god vedheft med arbeidsstykkematerialet påføres først et primærlag av metall med høyere klebeegenskaper.

Ion-vakuum

Den største fordelen denne metoden Det anses at det ikke er behov for å varme opp fordamperen veldig mye. Metallet forstøves ved bombardement med negativt ladede gassioner. Opprettelsen av et slikt miljø er mulig takket være spesielle utslipp inne i arbeidskammeret. Til dette formålet bruker utstyret et magnetisk kjølesystem. En glødeutladning for sputtering av det sprayede elementet dannes mellom 2 elektroder på grunn av tilførselen høy spenning opptil 4 kV. Et gassmiljø med et trykk på opptil 0,6 Pascal skapes i arbeidskammeret. Ved lignende prinsipp Vakuum ion-plasma sputtering utføres også ved bruk av spesialutstyr.

Overflater egnet for sprøyting

Alle gjenstander som tåler oppvarming opp til 80 °C og eksponering for spesiallakk. Fordelen med teknologien er at for å gi produktene effekten av kobberbelegg, speilforkromning, gullbelegg, nikkelbelegg, er det ikke nødvendig å forpolere overflatene. Oftere av vakuum metallisering dekseldeler laget av plast, glass, metallegeringer, ulike polymer- og keramiske produkter. Sjeldnere, men likevel brukes teknologien til mer myke materialer, som tre, tekstiler, pels.

Behandling metallemner og produkter laget av metallegeringer på grunn av den gode kompatibiliteten til basen og belegg krever ikke bruk av ekstra forbruksvarer. Mens polymerer må pre-primes med beskyttende og klebende forbindelser. For å forhindre deformasjon av polymeremner og redusere stress i arbeidsmiljøet under vakuummetallisering, brukes spesielle modifiserende komponenter og materialdiffusjonsmoduser.

Metalliseringsstadier

Den teknologiske prosessen med vakuumavsetning av metall på forskjellige produkter inkluderer flere påfølgende stadier:

• Forbereder delen. Det er viktig at arbeidsstykket har maksimalt enkel form, uten steder som er vanskelig å nå for kondens å sette seg.
• Anvendelse av beskyttelse. Polymersubstrater som inneholder fyllstoffer med lav molekylvekt må belegges med et antidiffusjonsbelegg.
• Tørking. Delene tørkes ved 80 grader Celsius i 3 timer, noe som fjerner absorbert fuktighet.
• Avfetting. I et vakuumkammer avfettes arbeidsstykket ved hjelp av en glødeutladning. Dette har spesielt god effekt på strukturen til polymerer.
• Aktiveringsbehandling. Behandlingsmetoden velges avhengig av produktets materiale dette er nødvendig for å øke overflatevedheften før metallisering.
• Metallsprøyting. Ved kondensering dannes et metallisert lag på arbeidsstykket.
• Kvalitetskontroll av belegg. Dekorative detaljer inspisert for jevnhet av sprøyting og dens styrke. Tekniske produkter er i tillegg testet med teip, ultralydvibrasjoner, friksjon, etc.

Metalliseringsinstallasjoner er ganske komplekst og dyrt utstyr som bruker mye strøm. For å skape en kompleks teknologisk syklus er det nødvendig med et ganske romslig rom, siden flere multifunksjonelle enheter må plasseres. Hovedkomponenter i vakuumsystemet:

• Strømforsyning og kontrollenhet i forbindelse med en kilde til kondenserte metaller.
• Gassdistribusjonssystem som skaper et vakuumrom og regulerer gassstrømmene.
• Arbeidskammer for vakuummetallisering.
• Enhet for termisk kontroll, kontroll av sprøytetykkelse og hastighet, beleggegenskaper.
• En transportenhet som er ansvarlig for å endre posisjonen til arbeidsstykker, mate dem og fjerne dem fra kammeret.
• Enhetsblokkeringsanordninger, gassfiltre, spjeld og annet hjelpeutstyr.

Magnetron- og ion-plasma vakuumutstyr kommer i forskjellige størrelser, fra små, med kammer på flere liter, til veldig store, med kammervolum på flere kubikkmeter.

Alfa-K-selskapet har tilstrekkelig produksjonskapasitet og passende utstyr for å sikre på ulike måter vakuumavsetning. Hos oss kan du bestille ion-plasma belegg av produkter laget av alle materialer med metaller som titan, kobber, aluminium, messing, krom, ulike legeringer osv. Vi garanterer høy kvalitet arbeid og rimelige priser.