Установки вакуумного напыления — производственное оборудование для создания тонких и прочных покрытий материалов. В безвоздушном пространстве создают условия, когда пар (или другой источник энергии) подхватывает элементарные частицы вещества и перемещает на обрабатываемую поверхность. Облако активированных ионов и молекул устремляется, оседает и застывает на детали в виде пленки.
Вакуумные установки отличаются характеристиками оборудования, изделий и напыляемых материалов. При выборе устройства учитывают назначение, производительность, конструкцию, метод переноса, среду в камере, режим работы, уровень достижимого вакуума, а также размеры и конфигурацию обрабатываемых деталей.
На российском рынке представлено оборудование, которое поддерживает технологии: ионного и магнитного распыления, ионного осаждения, ионной имплантации, ионно-диффузного насыщения. Методы хорошо отработаны, процессы управляем, результаты прогнозируемые. Известно, как создать покрытие с заданными физико-механическими свойствами.
Преимущество вакуумного напыления и осаждения — универсальность, безопасность, высокое качество пленок. Оборудование используют, чтобы нанести защитный слой из тугоплавкого металла и химических соединений. Другими методами достичь результата невозможно.
С помощью установок вакуумного напыления очищают поверхности, формируют тонкие пленки на подложке, травят верхний слой материала и получают изображения интегральных микросхем. Оборудование используют во многих сферах научной и производственной деятельности: машиностроении, металлургии, электронике, фармацевтике, космонавтике. Агрегаты заказывают предприятия пищевой, химической, текстильной, автомобильной и других отраслей.
Технологии вакуумного напыления и осаждения
Ионно-плазменный метод (IP) — вид вакуумного осаждения. В процессе работы образуется ионизированный пар, который в виде тонкой пленки оседает на детали. Технология отличается высокой производительностью труда, недостаток — большие затраты.
Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) обеспечивает прочное и износостойкое покрытие, которое не поддается коррозии. Подвергнутые PVD-обработке детали служат длительное время. Минус технологии — неоднородность слоя.
Химическое осаждение (CVD) происходит в газовая среде, частицы полностью окружают деталь. При включении установки летучие вещества разлагаются (или вступают в реакцию) на поверхности подложки. Побочные продукты удаляют потоком газа через реакционную камеру. Методом CVD создают тонкие пленки на деталях сложной формы, в том числе, с внутренними полостями. Технологию используют при изготовлении полупроводниковой продукции.
Катодное распыление мишени в плазме (MS) — ионно-лучевой метод получения тонких пленок на обрабатываемых изделиях. Под действием магнитного поля ионы вещества активизируются, запускается режим переноса. Поток элементарных частиц движется в направлении детали и распределяются по поверхности.
Катодно-дуговое осаждение (CAD или Arc-PVD) используют для нанесения композитных, керамических и металлических тонких пленок на различные изделия. При зажигании вакуумной дуги на поверхности электрода формируются катодные пятна с разрядом высокой мощности. Кратковременное (в течение микросекунды) высокотемпературное воздействие (15000 0C) запускает процесс испарения и ионизации материала катода.
Если катодно-дуговое осаждение происходит в присутствии химически активного газа, начинается плазмохимическая реакция. Образуются соединения, которые концентрируются на поверхности детали. Инертный газ нагнетают после откачивания воздуха.
Принцип напыления в вакууме
Тонкие пленки создают разными методами: ионно-плазменным напылением, термическим напылением, электрохимическим осаждением. Условия запуска и протекания процесса отличаются средой (вакуум, инертный газ), уровнем разрежения, напряжением (переменным, постоянным, высокочастотным), количеством электродов в газоразрядной камере.
Особенность термовакуумных способов получения тонких пленок — структурно-фазовые превращения, которые происходят с осажденным на изделии конденсатом или верхним слоем обрабатываемой детали.
При ионно-плазменном напылении активированные ионы бомбардируют поверхность мишени. Энергии элементарных частиц достаточно, чтобы выбить из кристаллической решетки вещества атомы или молекулы. Поток ионов движется в направлении подложки и оседает на поверхности.
В ионно-лучевом распылении задействован автономный источник ионов. Мишень бомбардируется ускоренным пучком элементарных частиц.
Ионно-плазменного распыление вещества происходит в газоразрядной камере. При возбуждении тлеющего разряда ионы инертного газа бомбардируют материал, который находится под отрицательным потенциалом. Распыленные нейтральные атомы и осаждаются на подложку в виде тонкой пленки.
Стадии производственного процесса
Все процессы в закрытой камере контролирует автоматика (оператор предварительно выставляет настройки). В установке вакуумного нагрева периодического действия длительность рабочего цикла составляет 1-2 минуты.
Специалисты компании НПК «ГКМП» не рекомендуют ускорять напыление. При форсировании процесса снижается качество поверхности: образуется мелкозернистая структура, уменьшается прочность пленки и адгезия.
Начальный этап — очистка детали от грязи, обезжиривание, мойка. При визуальном осмотре контролируют гладкость поверхности и отсутствие посторонних включений. Изделие помещают в рабочую камеру, закрывают емкость и включают насосное оборудование.
Когда уровень вакуума достигает величины, указанной в технологической карте, подают питание на нагреватель или источник разряда. При включении электрической дуги, магнетрона или другого устройства материал начинает испаряться.
В рабочей зоне протекают процессы:
- напыляемое вещество из конденсированной формы переходит в газовое состояние;
- облако ионов движется по прямой на обрабатываемую деталь;
- элементарные частицы осаждаются на поверхности изделия (сначала процесс интенсивен, а в конце скорость уменьшается);
- в наслоения ионов накопления формируется тонкая пленка;
- покрытие застывает;
- изделия выгружают.
По окончанию процесса на поверхности детали образуется пленка. Толщина и другие параметры слоя определяются назначением и свойствами материала изделия, методом и режимом напыления.
Заключительная операция — контроль: визуальный осмотр и измерение. Чтобы усилить адгезию пленки, после вакуумного напыления деталь отжигают.
Особенности работы термовакуумного оборудования
У каждого этапа есть свои приемы, которые влияют на безопасность процесса и качество пленки. Для установки детали в рабочую камеру используют специальный держатель.
Заготовку размещают на оптимальном от испарителя расстоянии: 2-50 мм. Точный размер указан в технологической карте. Расстояние определяется скоростью напыления, характеристиками материала и другими особенностями. От соблюдения требования зависит качество покрытия.
После включения насоса давление постепенно уменьшается. Для ускорения процесса открывают вентиль с горячей водой. Когда давление соответствует указанной в технологической карте величине, включаются нагрев испарителей. Длительность создания вакуума в камере: от микросекунд до нескольких секунд.
Температура нагрева зависит от характеристик материала: для алюминия составляет 1150 0C. Вещество испаряется в условиях полной герметизации.
По завершении процесса внутри камеры отключают все системы. Чтобы ускорить охлаждение оборудования, включают подачу холодной воды. Когда температура в камере понизится, через специальное отверстие подают воздух. Таким образом выравнивают давление. Изделие вынимают из камеры.
Качество тонких пленок
На качество покрытия влияют все этапы технологического цикла: очистка детали, генерация элементарных частиц, перенос, наращивание пленки на поверхности изделия. Если на детали остались следы жира или грязи, возможно отслоения покрытия.
На качество покрытий тонких пленок в вакуумной среде влияют факторы: энергия распыляемых веществ, температурные показатели, характер взаимодействия детали и наносимой пленки.
Выпускают установки непрерывного, периодического, полунепрерывного действия, полностью автоматические линии (с загрузочно-разгрузочными процессами, откачкой, очисткой подложек).
Особенность работы оборудования периодического действия — разгерметизация камеры после завершения рабочего цикла. При закладке нового изделия цикл начинают с создания безвоздушного пространства. Установки легко перенастроить на новый технологический процесс. Основной недостаток — значительную часть времени занимает откачка камеры.
Крупным предприятиям, которые поставили услугу вакуумного напыления на поток, выгодно использовать автоматические линии и оборудование непрерывного действия. В однокамерных конструкциях посты напыления расположены в одной рабочей зоне. Конвейерное транспортное устройство перемещает заготовку между постами.
В многокамерных устройствах работает несколько модулей напыления, которые находятся в разных зонах нагрева. Преимущество установок: высокая производительность труда и качество пленки.
Конструктивные особенности камер
Производители выпускают оборудование разной комплектации, но каждая модель содержит герметично закрываемую рабочую емкость, испарители, систему подачи и регулировки газов. Установка имеет блок управления питанием с функцией старта, выключения и блокировки отдельных рабочих частей. Шкаф с рубильником располагают на расстоянии от оборудования.
В зависимости от модели, применяют ручную или механизированную загрузку, выгрузку и перемещение детали (в двухкамерной конструкции). В первом случае используют приспособление для транспортировки, во втором, — конвейерную ленту.
Базовые требования к камере: герметичность при выполнении напыления, быстрая загрузка и выгрузка деталей. В некоторых моделях предусмотрены дополнительные функции, например, очистки заготовок перед созданием пленочного покрытия или подложек.
Стенки рабочего пространства изготавливают из стекла (для визуального контроля процесса), пластика, металлов: титана, нержавеющей стали, алюминия. В конструкциях с непрозрачным кожухом предусматривают дверь со смотровым окном.
При выборе модели учитывают расположение рабочей камеры. Преимущество вертикальных конструкций — компактность. Оборудование устанавливают в небольших производственных помещениях. Компактное устройство удобно обслуживать и ремонтировать: есть свободный доступ со всех сторон.
Плюс горизонтальных камер — большое рабочее пространство. Оборудование подходит для нанесения покрытия на крупные изделия. Для ускоренной загрузки и выгрузки деталей выбирают конструкции с двумя дверьми.
Испарители, насосы и датчики контроля давления
Создание тонких пленок невозможно без работы насосов (высокого и сверхвысокого вакуума) или газораспределительных систем. Тип оборудования зависит от метода напыления и требований к разреженности безвоздушной среды: 1-100 Па. Оптимальный показатель для — 1,13 Па.
Больше других конструкций востребованы механические (в том числе, Рутса), ионные, молекулярные, криогенные и турбомолекулярные насосные устройства. В рабочей камере находятся мембранно-емкостные датчики, сенсоры работают с любыми газами. Устройства контролируют уровень вакуума и фиксируют показания.
Газовая система обеспечивает равномерность подачи газа. В комплект входит манометр, который показывает давление азота или газовой смеси. Автоматические дозаторы отмеряют, контролируют и направляют поток напыляемого материала на деталь.
Испарительные устройства работают как катоды и непосредственно контактируют с материалом. При включении возникает электромагнитное поле. Под действие электрических разрядов вещество испаряется. Электрод направляет облако на поверхность детали.
Популярные типы устройств: катодные лучи (ЭРЭ), катоды с магнетронным, импульсным или дуговым разрядом. Для получения многокомпонентных пленок в камере размещают несколько испарителей.
В зависимости от технологии вакуумного напыления, установки комплектуют дополнительными средствами для с плазмой, катодными лучами, магнетронным разрядом. Чтобы получить уникальные покрытия, используют специальные устройства.
Где заказать оборудование?
НПК «ГКМП» хорошо знают в России и за рубежом как производителя испытательного, термического и вакуумного оборудования для разных отраслей промышленности. На рынке стран СНГ организация лидирует в области научных исследований.
Компания проектирует и изготавливает промышленные вакуумные системы, установки, испытательные стенды, высокотемпературные газонаполненные печи. Предприятие принимает заказы на разработку и производство оборудования по техническому заданию, модернизацию действующих рабочих камер и других устройств.
НПК «ГКМП» предлагает заказчикам воспользоваться услугами инженерного центра и производственными мощностями. Коллектив специалистов гарантирует использование надежных материалов, ускоренные сроки разработки и реализации проекта, 100% контроль качества продукции. Обращайтесь, чтобы заказать установку вакуумного напыления по конкурентной цене.
