Вакуумная установка – разнообразие установок вакуумного напыления УВН. Сфера применения вакуумных литейных установок

Существует много способов поверхностей, и к одним из основных относится вакуумная металлизация. Предметов с таким покрытием вокруг множество. Даже предметы из обычного пластика можно сделать похожими на металлические – с помощью этой технологии напыления металла они приобретут красивую серебристую или золотистую поверхность.

Понятие о вакуумной металлизации

С помощью такой технологии происходит обработка поверхностей изделий путём переноса мелких металлических частиц в вакууме. Они покрывают изделия плотным слоем. Для этого используется специальное оборудование, довольно дорогостоящее, для которого необходимо подходящее производственное помещение. В небольшой мастерской такой процесс работы не выполнить.

Вакуумная металлизация широкое применение получила сравнительно недавно, но уже показала, что этот способ, несмотря на использование дорогого оборудования, намного дешевле гальванического нанесения, а по сравнению с лакокрасочными покрытиями слой значительно насыщенней и поверхность получается более красивая.

На какие поверхности можно наносить

Способом вакуумного напыления металла можно покрывать предметы из металлов, керамики, стекла, пластмасс. При этом, в отличие от гальванического нанесения, для создания эффекта глянцевого хромирования, меднения, золочения, поверхностей не требуется предварительная полировка деталей.

Вообще, металлизировать таким способом можно любые материалы, которые устойчивы к нагреву до +80 и воздействию специальных лаков. А также материалы не должны быть пористыми, чтобы в процессе металлизации в вакуумной камере не выделялся атмосферный или другой газ, что приведёт к некачественному покрытию. К ним относится плохо обработанная керамика, древесина, бетон. Но даже на них можно нанести таким способом декоративные покрытия, если предварительно загрунтовать специальными составами.

Чаще всего сегодня обрабатываются таким способом предметы из пластмасс и металлов. Этот процесс только усиливает их положительные свойства. Напыление наносится на металлические поверхности изделий, состоящие из различных сплавов. При этом создаётся , изменяются электропроводные свойства металла в сторону повышения, улучшается внешний вид предметов.

Металлизация пластмасс позволяет изготавливать красивые, практичные изделия из дешёвого сырья. В автомобилестроении пластмассовые детали устанавливают для снижения веса. Решётки радиаторов, корпуса, колпаки колёс и другие детали, к которым не требуется обладание повышенной прочностью, изготавливаются из прочных марок пластмасс и обрабатываются под металл.

Оборудование для вакуумной металлизации

У этой технологии, как и у других таких же сложных, имеются свои плюсы и минусы:

Аппарат для нанесения покрытий - схема

необходимость использования дорогостоящего оборудования;
большие расходы электроэнергии;
потребность в просторном производственном помещении для размещения всех приспособлений и для полного технологического цикла изготовления.

Дополнительные расходы средств требуются при этом на технический процесс нанесения дополнительного слоя – защитного лака.

Установки вакуумного напыления представляют собой совокупность устройств, которые последовательно и самостоятельно выполняют ряд функций, необходимых для технологического процесса металлизации.

Основные функции:

откачка воздуха для получения условий разрежения;
распыление в определённых условиях металлических частиц на поверхность предметов;
транспортировка обрабатываемых деталей;
контроль режимов происходящих процессов вакуумного напыления;
электропитание и другие вспомогательные приспособления.

Составляющие узлы вакуумной установки:

Рабочая камера. В ней происходит сам процесс металлизации.
Источник испаряемых металлов вместе с управляющими и энергообеспечивающими устройствами.
Системы контроля и управления для регулировки температуры, скорости напыления, толщины плёнки, её физических свойств.
Откачивающая и газораспределительная система, обеспечивающая получение вакуума и регулировку газовых потоков.
Системы блокировки рабочих узлов, блоки электропитания.
Транспортирующее устройство, определяющее подачу-извлечение из вакуумной камеры, смену положений деталей при нанесении металлопокрытия.
Вспомогательные устройства – заслонки, внутрикамерные манипуляторы, газовые фильтры и др.

Особенности оборудования

Установки для вакуумного процесса нанесения металлического слоя бывают магнетронные и ионно-плазменные. В любых из них необходимо достигать испарения вещества с поверхности металлических болванок, минуя стадию расплава металла.

При сублимационном способе процесс нагрева происходит быстро до температуры испарения, не допуская расплава. Для этого используются нагреватели, способные повышать кинетическую энергию вплоть до разрушения кристаллической решётки. Но некоторые металлы не сублимируют в вакууме, и поэтому с ними стадии расплава не избежать. Поэтому в таких случаях применяются дополнительные системы фильтров.

Способом вакуумного напыления металлического слоя покрываются изделия разных размеров: крупные (до 1 м) и совсем мелкие. Существуют технологии металлопокрытия многометровых тканей и плёнок – они перематываются из одного рулона в другой в процессе напыления в вакуумной камере. Поэтому бывают установки с рабочими камерами разных размеров:

небольшие – несколько литров;
крупные – несколько кубометров.

Технологический процесс

Вакуумная металлизация, основанная на испарении и выпадении частиц металла на подложку, представляет собой ряд последовательно происходящих процессов. Они довольно сложные.

Металл при нагревании перед тем, как стать покрытием, претерпевает целый ряд изменений. Вначале он испаряется, затем адсорбируется, после этого выпадает конденсатом и кристаллизуется на поверхности, с образованием металлической плёнки. Каждый процесс довольно сложный.

На качество готового изделия влияют многие факторы. Главные из них – физико-технические характеристики материалов заготовок и выдерживаемые условия процесса металлизации. Образование слоя покрытия происходит в два основных этапа. Это перенос массы и энергии от источника и их равномерное распределение по поверхности обрабатываемого изделия.

Этапы выполнения вакуумной металлизации

Напыление металла на поверхности изделий методом вакуумной металлизации производится по технологии, состоящей из нескольких этапов:

Деталь подготавливается к процессу нанесения покрытия. Для этой цели подходят только заготовки несложных форм, которые не имеют острых углов или участков, труднодоступных для прямолинейного попадания конденсата.
Процесс нанесения защитного слоя. На полимеры с содержанием низкомолекулярных наполнителей предварительно наносятся слои антидиффузионных лаковых покрытий.
Сушка и обезжиривание. Заготовки проходят этап сушки адсорбированной влаги в течение трех часов при температуре +80 .
Процесс обезжиривания происходит уже на подготовительном этапе в вакуумной камере путём воздействия тлеющего разряда.
Проведение отжига на этой стадии особенно благоприятно для полимерных материалов – положительно сказывается на их структуре, снижается при этом внутреннее напряжение.
Проводится активационная обработка перед нанесением металлического слоя на поверхность для повышения её адгезии. Используемые методы зависят от материала заготовки.
Нанесение металлического покрытия. При этом слой покрытия формируется путём конденсации пересыщенных паров металлов на холодную поверхность заготовки.
Затем проводится контрольная проверка качества металлического слоя. Для декоративных изделий она заключается в осмотре поверхности с определением прочности и равномерности слоя. Для технических деталей используются дополнительные испытания. На практике применяются методы отслаивания липкой лентой, истирание, разрушение УЗ колебаниями и др.

Сферы применения

Технология обработки поверхностей методом вакуумной металлизации применяется в производстве многих товаров:

Сантехнической фурнитуры – сильфонов, кнопок смыва и др. Самая распространённая металлизация - алюминием, придающая изделиям хромированный вид.
Мебельная фурнитура – ручки для мебельных дверок и ящиков, декоративные отделочные детали, вешалки для одежды и др.
Зеркальные покрытия. Небьющиеся зеркала изготавливаются способом металлизации полимерных плёнок, натянутых на рамки.
Кожгалантерея – пряжки для ремней, пуговицы, люверсы.
Упаковочные материалы – крышки для флаконов с парфюмерией, дозаторы косметических средств, декоративные коробочки для бижутерии и др.
В производстве бижутерии, декоративных сувениров и подобных изделий.
При изготовлении предметов геральдики – гербов и других предметов.
Радиоэлектроника – приборные панели телевизоров, крышки мониторов, кнопки и др.
Микроэлектроника – изготовление интегральных микросхем, полупроводников и других деталей. Обычно применяется напыление меди.
Автомобильная промышленность – внутренняя светоотражающая часть фар и многие декоративные детали снаружи и внутри машины.
Светотехнические изделия – для декорации деталей светильников.

Визуально можно сделать имитацию под любой драгоценный или полудрагоценный металл. Вакуумная металлизация придаёт изделиям не только красивые декоративные свойства, но и создаёт защитный слой от коррозии для металлов, износа для других материалов. Металлизация пластмасс позволяет из дешёвых материалов создавать практичные и красивые изделия. Стойкое покрытие обеспечивает долгий срок эксплуатации изделий.

Выводы

По времени использования наибольший срок сохранения декоративного слоя у предметов, находящихся в закрытых помещениях. Те, что часто подвергаются атмосферным воздействиям, могут со временем повреждаться. Но для их защиты обычно используются специальные лаковые слои, которые продлевают срок службы таких изделий. К преимуществам покрытий вакуумным способом относится их экологичность, по сравнению с другими аналогичными технологиями.

Вакуумные системы, это комплекс взаимосвязанных элементов, обеспечивающих создание и поддержание заданного разрежения в определенном объеме. Все вакуумные системы разделяются по степени разрежения на системы низкого, высокого и сверхвысокого вакуума.

Навигация:

Кроме того, вакуумные системы

Основные компоненты вакуумных систем:

вакуумный насос или установка, обеспечивающие откачку газовой среды;

трубопроводы, связывающие между собой компоненты вакуумных систем;

емкость, сосуд или другой замкнутый объем, в котором создается разрежение;

различная запорная арматура и предохранительные устройства;

система датчиков, осуществляющих передачу данных о состоянии системы;

контролер, обеспечивающий управление всей системой на основании полученной от датчиков информации.

Некоторые элементы из перечисленных выше могут отсутствовать, все зависит от конкретных требований, предъявляемых к системе. Кроме того, могут дублироваться некоторые или даже все элементы, обеспечивая непрерывное поддержание заданного разрежения. Полностью автоматическая вакуумная система способна самостоятельно подключать дополнительные модули в работу, управлять запорной арматурой и постоянно поддерживать необходимую степень разрежения в заданных объемах.

Чертежи вакуумных систем в каждом конкретном случае разрабатываются с учетом требований заказчиков и должны соответствовать требованиям НТД. Они являются неотъемлемой частью любого проекта, учитывают все переменные факторы и разрабатываются обученными специалистами.

В качестве примера можно привести медицинские вакуумные системы, отключение которых может оказаться фатальным во время хирургической операции. Каждый датчик вакуумной системы такого типа обязательно дублируется, часто применяется полное дублирование системы и автономное питание. Автоматическая вакуумная система поддерживает необходимое разрежение, включая и выключая насосы, откачивающие воздух согласно показаний датчиков.

Основное применение вакуумные системы получили для:

создания условий химических реакций в химической, нефтяной промышленности и исследовательских лабораториях;

производства линз в оптике;

вакуумной упаковки продуктов в пищевой промышленности;

дегазации расплавов в металлургических плавильных печах;

обработки электротехнических плат в электронике;

обеспечения работы отсасывающих кровь устройств и производства некоторых препаратов в медицине;

напыления различных по структуре и несмешиваемых материалов в автомобильной промышленности;

создания вакуума в доильных аппаратах сельскохозяйственных предприятий.

Арматура для вакуумных систем различается на запорную, предохранительную и регулирующую. Некоторые виды регулирующей арматуры могут заменять запорную при необходимости. К запорной арматуре относится большинство вакуумных и обратных клапанов, имеющих 2 положения и обеспечивающих только отсекание (проход) рабочей среды, регулирующие и предохранительные устройства.

Рабочий макет вакуумной установки, применяемый для обучения студентов:

Вакуумная установка (напыление)

Вакуумные установки, применяемые для напыления, бывают периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Для массовой и серийной обработки деталей, применяются вакуумные установки непрерывного действия. Установки периодического и полунепрерывного действия могут иметь несколько загружаемых рабочих камер или одну, загружаемую несколькими позициями. Процесс напыления можно разбить на несколько операций:

загрузка деталей и герметизация рабочей камеры;
создание необходимого разрежения;
испарение или распыление напыляемого материала;
термическая обработка напыления;

Вакуумное напыление получило применение при изготовлении различных электронных плат, нанесении тонировки на стекла автомобилей и металлизации некоторых пластиков. Обычно вакуумные установки для напыления имеют в своей конструкции следующие элементы:

герметизируемое замкнутое пространство (рабочая камера);
источник испарения или распыления напыляемых материалов;
создающей разрежение системы, в которую входит насос и трубопроводы со всей запорной, регулирующей и предохранительной арматурой;
датчики, соединенные с управляющей процессом системой;
транспортера или другого подающего устройства;
дополнительных устройств (фильтров, манипуляторов, приводов, фильтрующих установок).
Вакуумное напыление может осуществляться с помощью:
катодного распыления материалов (электрический ток подается на распыляющийся катод, а так как деталь выполняет роль анода, распыленный материал напыляется на него);
магнетронного распыления;
ионно-плазменного распыления катодов;

Так как при повышении температуры поверхности обрабатываемой детали происходит отторжение наносимых частиц, поэтому очень важным является правильно организованное охлаждение. В зависимости от применяемого для создания разрежения оборудования, получает название вся установка. Например, вакуумная установка водокольцевая означает применение водокольцевых насосов при откачке газов из рабочей камеры.

Существует множество вакуумных установок, отличающихся принципом нанесения напыления, применяемым типом вакуумных насосов, степенью автоматизации, объемом и другими элементами. В качестве примера можно привести вакуумные установки УВ-24С, УВ-947, Булат-3Т, УВН-15, Магна 2М, Оратория-9 и множество других на их основе.

Схема вакуумной установки для магнетронного напыления металлов:

Оборудование вакуумных систем (арматура, фланцы, датчики)

Наиболее распространенной ошибкой при конструировании вакуумных систем является усложнение проекта и наличие множества лишних элементов. Это могут быть как лишние задвижки, повлекшие дополнительные места для герметизации, датчики, расположенные в неудобных местах и постоянно разрушаемые, фланцы, установленные там, где можно было обойтись цельной конструкцией.

Производители вакуумного оборудования в большинстве случаев изготавливают оборудование, отвечающее требованиям заказчика по производительности, максимально возможному разрежению и скорости откачки. На высокопроизводительных системах установка лишних элементов может вызвать их разгерметизацию и не обеспечить срабатывание предохранительных устройств. Поэтому, следует учесть, что вакуумная система, сконструированная непрофессионально, может быть не только неудовлетворяющей условиям эксплуатации, но и опасной для обслуживающего персонала.

Вся арматура, используемая при монтаже вакуумных систем, должна полностью соответствовать условиям эксплуатации и изготавливаться с применением соответствующих технологий. Производство вакуумного оборудования должно быть основным направлением работы предприятия, поставляющего все элементы системы.

Датчик для работы в глубоком вакууме:

Вакуумная техника (техника создания и поддержания вакуума)

Вакуумная и компрессорная техника имеют во многом сходные свойства. Довольно часто производители компрессорного оборудования изготавливают вакуумные системы и их элементы. Производство вакуумной техники основано на дополнительных методах обработки оборудования, достижению максимальной герметизации систем.

Технологии создания и поддержания вакуума совершенствовались с течением времени. На данный момент вакуумная наука и техника позволяют создавать разрежение, соответствующее глубокому космическому вакууму.

Вертикальные и горизонтальные вакуумные насосы:

Вакуумные насосы (виды и применение)

Существует несколько применяющихся видов вакуумных насосов. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, что обеспечивает свою сферу применения.

Водокольцевой насос получил свое название из-за того, что разрежение в вакуумной системе создается при помощи постоянного кольца воды в рабочей плоски. Вал насоса расположен со смещением, благодаря чему с одной стороны насоса лопасти проходят вплотную к корпусу (не задевая его), а с противоположной стороны имеется значительное расстояние до стенки.

При вращении лопасти рабочего колеса захватывают жидкость(воду), закручивая ее в виде кольца. Действующие при этом силы трения вызывают нагрев жидкости, поэтому вода в кольце постоянно подменяется свежей. Так как отсос газа происходит с помощью водяного кольца, то большинство абразивных загрязнений откачиваемой среды отфильтровывается и выходит чистый газ.

Такие насосы очень просты в обслуживании, производят быструю откачку газов, нетребовательны к их составу, но не могут создавать глубокое разрежение, что ограничивает их применение в промышленности.

Схема работы водокольцевого насоса:

Где точка Н показывает место наивысшего сжатия откачиваемого газа (подсоединение выпускного патрубка), В – вход в насос, К – водяное кольцо.

Пластинчато-роторный насос осуществляет откачку газов за счет эксцентрично расположенного по отношению к корпусу вала. На валу имеются специальные отверстия, в которые установлены пружины. Под действием пружин лопасти постоянно прижимаются к корпусу, образуя герметичные по отношению друг к другу камеры. При вращении ротора каждая камера меняет свой объем от минимального (при этом происходит максимальное сжатие находящихся в ней газов) до максимального (создавая при этом разрежение). Для того, чтобы уменьшить трение пластин о корпус, применяется специальное масло.

Сфера применения ограничена, так как требуется фильтрующее устройство, гарантирующее отсутствие абразивных частиц в откачиваемых газах и в исходящих газах присутствуют пары масел.

Схема работы пластинчато-роторных насосов:

Форвакуумный насос может быть различного типа, например, роторно-пластинчатым, водокольцевым, золотниковым. Главной задачей таких насосов является максимально быстрое создание форвакуума (предварительного разрежения) для обеспечения работы насосов, обеспечивающих высокое разрежение. Это связано с тем, что некоторые модели насосов имеют незначительную скорость откачки при нормальном атмосферном давлении и им требуется максимально возможное разрежение для создания глубокого вакуума.

В качестве второй ступени в форвакуумных насосах применяются турбомолекулярные, паромасляные диффузные и другие виды насосов.

Насосы Рутса осуществляют откачку газовых смесей благодаря наличию двух, вращающихся синхронно, роторов. Один из роторов получает вращательное движение от двигателя, а другой приводится в действие шестеренчатой передачей, обеспечивающей синхронность вращения. Конструкция позволяет создавать даже высокое разрежение, но требует обязательной очистки поступающего в рабочую камеру газа.

Схема работы 2-хкулачкового (поз «а») и 3-хкулачкового (поз «б») насосов Рутса.

Вакуумная установка – это по сути та же система, которая состоит из определенного количества компонентов. Каждый из элементов подобной установки выполняет определенные функции. Один из самых главных компонентов вакуумных установок – это вакуумный насос, коих может быть огромное количество. Зачастую, устройство строится таким образом, чтобы внутри него взаимодействовали все компоненты. Лишь в случае подобного расклада, можно будет добиться по-настоящему высоких показателей производительности. Что касается главной задачи подобных установок, то, несомненно – то создание уровня глубокого технического вакуума.

Подобные процессы играют особенно большую роль, если речь идет об откачке воздушных или же газовых смесей. Но не стоит упускать тот момент, что эффективно использовать вакуумные установки можно не только в промышленности, а еще и в домашних условиях. В домашних задачах, вакуумные установки работают без какой-либо ощутимой нагрузки и способны выдавать огромнейшие показатели производительности.

Что касается востребованности предприятий в подобных установках, то в этом и вовсе нет никаких сомнений. На данный момент огромное количество производителей проявляется интерес к продукции подобного предназначения. Многие производители готовы даже переплачивать за то, чтобы первыми получать подобные установки.

Сейчас мы рассмотрим те отрасли, где вакуумные установки уже стали неотъемлемой частью системы:

Текстильная промышленность
Машиностроение
Металлургия
Пищевая промышленность
Химическая отрасль
Машиностроение
Фармацевтика

Но это еще далеко не весь список отраслей, которые нуждаются в оборудовании подобного типа. Но даже глядя на этот список, создается впечатление, что это действительно один из наиболее практичных вариантов среди всего оборудования подобного типа.

Если же стандартной комплектации вакуумной установки пользователю недостаточно, то он без каких-либо проблем может докупить еще и дополнительное оборудование. Предназначено оно для того, чтобы сделать процесс более легким и в то же время эффективным. Многие пользователи пользуются подобными привилегиями и покупают дополнительное оборудование, дабы значительно упростить рабочий процесс и сделать его более надежным.

Главными задачами вакуумных установок можно назвать создание и поддержку высокого и сверхвысокого уровня вакуума внутри системы. Но это еще далеко не весь список возможностей подобных установок. Они также могут быть весьма эффективными при создании различных деталей, что является их основным преимуществом. Но все-таки чаще всего подобные установки покупают для того, чтобы образовывать сверхвысокий вакуум, так как другие установки справиться с этим не в силах.

Но, несмотря на то, что все нахваливают главные элементы подобных систем, есть еще и немалое количество второстепенных элементов, которые также играют особую роль. Ведь получать максимальный эффект от вакуумных установок можно только в том случае, если все элементы системы будут активно взаимодействовать друг с другом. В ином же случае, эффекта от подобного оборудования попросту не будет.

Главные элементы вакуумной установки:

Вакуумметр – устройство, для измерения давления внутри системы и контроля ключевых процессов, которые с ним связаны.
Вакуумные баллоны – один из ключевых элементов, который важен в процессе образования вакуума внутри системы.
Вакуумные трубопроводы – это скорее дополнительное оборудование, которое позволяет производить движение всех жидкостей по определенным отсекам установки.
Вакуумные насосы – это фундаментальная часть установки, которая выполняет практически все функции, и без которой образование вакуума внутри системы и вовсе было бы невозможным.

Современный вакуумный рынок предоставляет нам огромный выбор подобной продукции. Одной из лидирующих компаний на рынке является Busch. Данная компания уже давно успела о себе заявить и по сей день держит свою репутацию на высоком уровне.

Одно из главных преимуществ установок компании Busch –это качество, которое находится на максимально высоком уровне. Сейчас на рынке можно увидеть сразу несколько серий продукции данной компании.

Вакуумные установки
Воздуходувки
Вакуумные насосы

Во всех из вышеперечисленных направлений на данный момент компании нету равных. Данный производитель действительно мог занять весомую нишу рынка, чем самым доказав, что именно его продукция соответствует всем стандартам и достойна, занимать первую позицию на рынке.

Установки вакуумного напыления УВН

Установка вакуумного напыления УВН – это агрегат, имеющий целый ряд функциональных особенностей. Но все-таки наиболее главным моментом является сфера применения подобного оборудования. Установки подобного типа активно используются практически во всех отраслях, из-за чего назвать какую-то одну из них весьма проблематично.

Одним из явных преимуществ подобных установок, является наличие четырёх съёмных технологических модулей. Каждый из них выполняет определенные функции, что собственно и позволяет добиваться высоких показателей производительности.

УВН-1М – это одна из наиболее практичных моделей подобных установок, которая, несмотря на свою среднюю стоимость, смогла вместить в себе огромное количество положительных качеств. Данный агрегат может похвастаться не только высокими показателями производительности, а еще и высоким качеством, стабильностью и широкой сферой применения.

Что касается внешнего вида подобных установок, то он не настолько прост и все-таки имеет определенные дополнения. Чаще всего модули подобных систем закрыты специальной вакуумной камерой из стекла. Данное приспособление позволяет защитить модули от различных угроз.

Но это еще далеко не весь список преимуществ, ведь кроме всего прочего есть огромное количество аспектов, которые говорят о том, что подобные установки действительно очень эффективны.

Вакуумные литейные установки

Одно из главных предназначений подобных установок – это литье стоматологических сплавов. С подобной задачей, вакуумные установки данного типа справляются довольно неплохо. Именно поэтому, многие и стали покупать подобное оборудование для его подобной эксплуатации.

Стоит отметить наличие у подобных установок активного охлаждения, которое позволяет установке не поддаваться перегреву, что также играет далеко не самую последнюю роль. Ключевым компонентом подобных установок можно считать инертный газ, который дает возможность работать устройству наиболее надежно и избегать окисления разного рода сплавов.

Подобные установки чаще всего используются именно в стоматологическом направлении. При желании, их можно использовать и в других отраслях., но особой пользы от него будет получить довольно проблематично.

Установка вакуумной металлизации

Нанесение качественного покрытия на изделия – это далеко не самый легкий процесс. Дабы результат подобной процедуры был качественным, для этого надо использовать специальное оборудование. Лучше всего в этом себя проявляет установка вакуумной металлизации. Сам процесс металлизации представляет собой нанесение тонкой пленки, которая позволяет защитить материал от воздействия разных факторов.

Одна из наиболее продаваемых вариаций подобных установок – это вариант с вертикальными дверцами. В плане удобства, данный вариант значительно превосходит обычный, так как загружать и выгружать материал намного проще.

Материалы, обрабатываемые в установках вакуумной металлизации:

Стекло
Пластик
Металл
Керамика

Производители вакуумных установок

Роль производителя также является далеко не самой последней. Лучше всего покупать подобные установки у проверенных поставщиков, которые могут предоставить вам все гарантии качества и надежности продукции.

Наиболее надежные производители вакуумных установок:

Edwards
Becker
Atlas Copco

Все вышеперечисленные производители являются максимально надежными и им можно доверять. Это можно понять по показателям их продаваемости, так как все эти компании входят в пятерку наиболее качественных и перспективных компаний по продаже вакуумных установок.

Марийский государственный технический университет

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

Вакуумное напыление

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

Основы физики твёрдого тела и микроэлектроники

Разработал: студент группы ЭВС-31

Колесников

Консультировал: доцент

Игумнов В.Н

Йошкар-Ола 2003г.

Введение

1.Термическое вакуумное напыление

1.1 Резистивное напыление

1.2 Индукционное напыление

1.3 Электронно-лучевое напыление

1.4 Лазерное напыление

1.5 Электродуговое напыление

2. Распыление ионной бомбардировкой

2.1 Катодное распыление

2.2 Магнетронное распыление

2.3 Высокочастотное распыление.

2.4 Плазмоионное распыление в несамостоятельном газовом разряде

3. Технология тонких пленок на ориентирующих подложках

3.1 Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок

3.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Тонкие пленки, наносимые в вакууме, широко применяются в производстве дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных слоев является одним из важнейших технологических процессов формирования структур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов ИМС.

Таким образом, от совершенства технологических процессов нанесения тонких пленок в значительной степени зависят надежность и качество изделий микроэлектроники, технический уровень и экономические показатели их производства.

Тонкопленочная технология базируется на сложных физико-химических процессах и применении различных металлов и диэлектриков. Так, тонкопленочные резисторы, электроды конденсаторов и межсоединения выполняют осаждением металлических пленок, а межслойную изоляцию и защитные покрытия – диэлектрических.

Важным этапом является контроль параметров тонких пленок (скорости их нанесения, толщины и ее равномерности, поверхностного сопротивления), который проводится с помощью специальных приборов, как при выполнении отдельных технологических операций, так и по завершении всего процесса.

Методы ионно-плазменного и магнетронного напыления находят широкое применение в современной микроэлектронике. Высокие скорости напыления и энергия падающих на подложку атомов в процессе напыления позволяют использовать эти методы для получения пленок различного состава и структуры, и, в частности, для низкотемпературной эпитаксии.

В настоящее время исследованиям в данной области уделяется значительный интерес.

Целью данной курсовой работы является рассмотрение основных методов напыления и распыления в вакууме, физико-химических процессов, а также описание и работа установок использующихся в данных методах.

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании (генерации) потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их концентрации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности.

Для модификации свойств поверхности твердого тела используют различные режимы ионной обработки. Процесс взаимодействия ионного пучка с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, распыления и внедрения. Превалирование того или иного физического эффекта определяется главным образом энергией E 1 бомбардирующих ионов. При Е 1 =10-100 эВ конденсация преобладает над распылением, поэтому имеет место осаждение покрытия. При повышении энергии ионов до 10 4 эВ начинает преобладать процесс распыления с одновременным внедрением ионов в металл. Дальнейшее повышение энергии бомбардирующих ионов (Е 1 >10 4 эВ) приводит к снижению коэффициента распыления и установлению режима ионной имплантации (ионного легирования).

Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме включает 3 основных этапа:

Генерация потока частиц осаждаемого вещества;

Переноса частиц в разреженном пространстве от источника до подложки;

Осаждения частиц при достижении подложки.

Существуют 2 метода нанесения вакуумных покрытий, различающихся по механизму генерации потока осаждаемых частиц: термическое напыление и распыление материалов ионной бомбардировкой. Испаренные и распыленные частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счет приложения к ней отрицательного напряжения.

Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.

Для понимания физических явлений, происходящих при нанесении тонких пленок в вакууме, необходимо знать, что процесс роста пленки на подложке состоит из двух этапов: начального и завершающего. Рассмотрим, как взаимодействуют наносимые частицы в вакуумном пространстве и на подложке.

Покинувшие поверхность источника частицы вещества движутся через вакуумное (разреженное) пространство с большими скоростями (порядка сотен и даже тысяч метров в секунду) к подложке и достигают ее поверхности, отдавая ей при столкновении часть своей энергии. Доля передаваемой энергии тем меньше, чем выше температура подложки.

Сохранив при этом некоторый избыток энергии, частица вещества способна перемещаться (мигрировать) по поверхности подложки. При миграции по поверхности частица постепенно теряет избыток своей энергии, стремясь к тепловому равновесию с подложкой, и при этом может произойти следующее. Если на пути движения частица потеряет избыток, своей энергии, она фиксируется на подложке (конденсируется). Встретив же на пути движения другую мигрирующую частицу (или группу частиц), она вступит с ней в сильную связь (металлическую), создав адсорбированный дуплет. При достаточно крупном объединении такие частицы полностью теряют способность мигрировать и фиксируются на подложке, становясь центром кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Рост кристаллитов происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц, так и в результате непосредственного осаждения частиц на поверхность кристаллитов. Возможно также образование дуплетов в вакуумном пространстве при столкновении двух частиц, которые в конечном итоге адсорбируются на подложке.

Образованием сплошной пленки заканчивается начальный этап процесса. Так как с этого момента качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки, начальный этап имеет решающее значение в их формировании. На завершающем этапе происходит рост пленки до необходимой толщины.

При прочих неизменных условиях рост температуры подложки увеличивает энергию, т.е. подвижность адсорбированных молекул, что повышает вероятность встречи мигрирующих молекул и приводит к формированию пленки крупнокристаллической структуры. Кроме того, при увеличении плотности падающего пучка повышается вероятность образования дуплетов и даже многоатомных групп. В то же время рост количества центров кристаллизации способствует образованию пленки мелкокристаллической структуры.

Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.

Вакуумная техника занимает важное место в производстве пленочных структур ИМС. Для создания вакуума в рабочей камере из нее должны быть откачаны газы. Идеальный вакуум не может быть достигнуть, и в откачанных рабочих камерах технологических установок всегда присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется давление в откачанной камере (глубина, или степень вакуума).

Сущность данного процесса нанесе6ния тонких пленок заключается в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно и при соударении с поверхностью испаряемые атомы, и молекулы конденсируются на ней.

Процесс испарения осуществляется по обычной схеме: твердая фаза – жидкая фаза – газообразное состояние. Некоторые вещества (магний, кадмий, цинк и др.) переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.

Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис.1, являются: 1 - вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 - заслонка; 3 - трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 - игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 - нагреватель подложки; 6 - подложкодержатель с подложкой, на которой может быть размещен трафарет; 7 - герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 - испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).

Вакуумное напыление основано на создании направленного потока частиц (атомов, молекул, кластеров) наносимого материала на поверхность изделий и их конденсации.
Процесс включает несколько стадий: переход напыляемого вещества или материала из конденсированной фазы в газовую, перенос молекул газовой фазы к поверхности изделия, конденсацию их на поверхность, образование и рост зародышей, формирование пленки.
Вакуумное напыление - перенос частиц напыляемого вещества от источника (места его перевода в газовую фазу) к поверхности детали осуществляется по прямолинейным траекториям при вакууме 10 -2 Па и ниже (вакуумное испарение) и путем диффузионного и конвективного переноса в плазме при давлениях 1 Па (катодное распыление) и 10 -1 -10 -2 Па (магнетронное и ионно-плазменное распыление). Судьба каждой из частиц напыляемого вещества при соударении с поверхностью детали зависит от ее энергии, температуры поверхности и химического сродства материалов пленки и детали. Атомы или молекулы, достигшие поверхности, могут либо отразиться от нее, либо адсорбироваться и через некоторое время покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и образовывать на поверхности конденсат (конденсация). При высоких энергиях частиц, большой температуре поверхности и малом химическом сродстве частица отражается поверхностью.
Температура поверхности детали, выше которой все частицы отражаются от нее и пленка не образуется, называется критической температурой напыления вакуумного; ее значение зависит от природы материалов пленки и поверхности детали, и от состояния поверхности. При очень малых потоках испаряемых частиц, даже если эти частицы на поверхности адсорбируются, но редко встречаются с другими такими же частицами, они десорбируются и не могут образовывать зародышей, т.е. пленка не растет. Критической плотностью потока испаряемых частиц для данной температуры поверхности называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и формируют пленку.
Структура напыленных пленок зависит от свойств материала, состояния и температуры поверхности, скорости напыления. Пленки могут быть аморфными (стеклообразными, например оксиды, Si), поликристаллическими (металлы, сплавы, Si) или монокристаллическими (например, полупроводниковые пленки, полученные молекулярно-лучевой эпитаксией). Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений пленок, повышения стабильности их свойств и улучшения адгезии к поверхности изделий сразу же после напыления без нарушения вакуума производят отжиг пленок при температурах, несколько превышающих температуру поверхности при напылении. Часто посредством вакуумного напыления создают многослойные пленочные структуры из различных материалов.
Напыление вакуумное используют в планарной технологии полупроводниковых микросхем, в производстве тонкопленочных гибридных схем, изделий пъезотехники, акустоэлектроники и др. (нанесение проводящих, диэлектрических, защитных слоев, масок и др.), в оптике (нанесение просветляющих, отражающих и др. покрытий), ограниченно - при металлизации поверхности пластмассовых и стеклянных изделий, тонировании стекол автомобилей. Методом напыления вакуумного наносят металлы (Al, Au, Cu, Cr, Ni, V, Ti и др.), сплавы (например, NiCr, CrNiSi), химические соединения (силициды, оксиды, бориды, карбиды и др.).

Рис. П2.1.

Для вакуумного напыления используют технологическое оборудование периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Установки периодического действия осуществляют один цикл нанесения пленок при заданном числе загружаемых изделий. Установки непрерывного действия используют при серийном и массовом производстве. Они бывают двух видов: многокамерные и многопозиционные однокамерные. Первые состоят из последовательно расположенных напылительных модулей, в каждом из которых осуществляется напыление пленок определенных материалов или их термическая обработка и контроль. Модули объединены между собой шлюзовыми камерами и транспортирующим конвейерным устройством. Многопозиционные однокамерные установки содержат несколько напылительных постов (расположенных в одной вакуумной камере), соединяемых транспортным устройством конвейерного или роторного типа. Основные узлы и системы установок для вакуумного напыления представляют собой самостоятельные устройства, выполняющие заданные функции:
·создание вакуума;
·испарение или распыление материала пленок;
·транспортировка и осаждение покрытия;
·контроль режимов вакуумного напыления и свойств пленок;
·электропитание.

Установки вакуумного напыления

Вакуумная установка резистивного напыления серии DV-502B (Рис. П2.2.) (данная установка является настольной)

Рис. П2.2.

Установка ВАТТ1600-4ДК (Рис. П2.4.) предназначена для нанесения комбинированного покрытия, которое может состоять из слоя металла, слоя соединения этого металла (оксид, нитрид, карбид) и слоя SiOx.

Рис. П2.3.

Применяя различные соединения титана возможно получать различные оттенки золотого, синего, зеленого, черного и некоторых других цветов (Рис. П2.4.). Покрытия можно наносить на листы нержавеющей стали с любой обработкой поверхности: зеркальной, шлифованной, декоративной текстурированной или обычной матовой. Габариты вакуумной установки позволяют напылять листы размером 1500х3000 мм. Листы после напыления могут быть покрыты самоклеющейся защитной пленкой. Стоимость напыления – от 700 руб./кв.м.

Рис. П2.4. Применение вакуумного напыления.

Нержавеющая сталь:

Для вакуумного напыления нитридом титана используют подложку из нержавеющей стали.
·элегантность и изящество в отделке;
·коррозионная стойкость, устойчивость к воздействию атмосферных воздействий;
·соответствие самым строгим гигиеническим требованиям;
·легкость ухода и долговечность;
·термостойкость и пожаробезопасность;
·отличное сочетание с другими отделочными материалами (стекло, пластик, дерево, камень).

Технические характеристики:

·Материал подложки - сталь нержавеюшая, 08Х18Н10 (AISI 304);
·Толщина подложки 0,5мм – 1,5 мм;
·Покрытие нитрид титана, толщина 0,2-6 мкм;
·Цвет покрытия - различные оттенки золотого;
·Светорассеивание - от зеркального до матового;
·Механические свойства - допускает многократный изгиб и холодную штамповку;
·Атмосферостойкость - не менее 50 лет.

Метод получения материала

Покрытие на нержавеющей стали TIN, TiO2 и TiON получено методом ионно-плазменного напыления в вакуумной камере.
Листы нержавеющей стали, после предварительной обработки, которая обеспечивает высокую отражающую способность покрытия, помещаются в герметичную вакуумную камеру. Во время процесса напыления в камере создается глубокий вакуум, который обеспечивает заданный цвет и стойкость покрытий.
При ионно - плазменном напылении ионы плазмы, обладающие высокой энергией, выбивают с поверхности титанового листа атомы титана, которые в свою очередь, проходя через высокоразреженное облако азота или кислорода, окисляясь, внедряются в материал подложки.
Такой процесс обеспечивает хорошие адгезионные и декоративные свойства покрытия.
Технологии вакуумного напыления являются чрезвычайно энергозатратными, и во многих странах превращаются в нишевой продукт. Многие компании заменяют вакуумное напыление на более производительное и менее затратное атмосферное плазменное напыление.
Качества и свойства материала:
Высокая атмосферная и антикоррозионная стойкость декоративного покрытия подтверждена сертификатом соответствия ГОСТ №СХ02.1.3,0040 от 18.09.96г. и составляет 50 лет в условиях городской атмосферы;
Цвет может быть достигнут любой, но технологический процесс отлажен под три основных цвета: имитирующий цвет золота - покрытие TiN, синий - покрытие TiO2, имитирующий цвет свежей меди - покрытие TiON;
Отражающая способность покрытия - 60-70%;

Области применения:

·Кровля куполов церквей и крыш зданий;
·Наружная реклама (таблички, объемные и плоские буквы из нержавеющей стали);
·Декоративное оформление зданий и интерьеров помещений;
·Реставрация памятников культуры;
·Изготовление фрагментов сувениров и фурнитуры.
Вакуумное напыление применяется для изделий как из чёрного металла так и других металлов, используются различные напыления, в том числе и под золото, серебро (Рис. П2.5.).

Рис. П2.5. Применение вакуумного напыления.

Материалы покрытий:
TiN - нитрид титана (золотисто-бронзовый,повышенной износостойкости);
TiOx1Cx2Nx3 - карбонид титана
Gr - хром (белый);
TiOx - оксид титана (голубой, многоцветный, перламутровый);
NiGr - нихром (светло-серый);
ZrN - нитрид циркония (светло-золотистый);
также алюминий, медь и т.д., по желанию заказчика.
Цвет, твердость и другие параметры покрытия могут варьироваться в широком диапазоне материалов и оттенков.
Важными характеристиками микросхем является быстродействие, электрические контакты, формат матрицы и т.д. Для повышения одного из самого важного параметра – быстродействие – требуется повысить проводимость электрических контактов. Наиболее простым способом сделать это является вакуумное напыление элементов через свободные маски. Золото обладает очень хорошей проводимостью, что дает возможность повысить скорость прохождения информации.

Микросхема PRAM-памяти компании Intel (Рис. П2.6.)

Материал: Золото(серебро).

Рис. П2.6. Микросхема PRAM-памяти компании Intel

Подшипники скольжения центробежных насосов (Рис. П2.6.)

Самой главной характеристикой подшипника является его ресурс. Для его повышения у подшипников скольжения разработана специальная технология детонационного напыления с нанесением нанопорошков. В процессе детонационного напыления получены наноструктурированные покрытия с содержанием монокарбида 62%. Испытания таких покрытий на трение и износ в воде показали, что они обладают пониженным коэффициентом трения, высокой нагрузкой заедания по сравнению с обычным покрытием из керамического порошка.
Технологии: вакуумное напыление
Отрасль: Электроника и Электротехника
Материал: быстрозакаленные магнитные порошки БЗМП системы Nd-Fe-B.

Рис. П2.6. Подшипник скольжения

Высокоскоростное напыление

Высокоскоростное газопламенное напыления по праву считается наиболее современной из технологий напыления. Твердосплавные покрытия, нанесенные методами высокоскоростного напыления, по всем статьям превосходят гальванические покрытия , процесс создания которых признан чрезвычайно канцерогенным .
В начале 80-х годов появились установки высокоскоростного напыления, более простые по конструкции и основанные на классической схеме ЖРД, со скоростью газового потока более 2000 м/с. Плотность покрытий достигает 99%. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,0…1,5 МПа, а в конструкцию соплового аппарата вводят сопло Лаваля. На Рис. П2.7. представлена схема распылителя системы ВСН.

Рис. П2.6. Схема высокоскоростного порошкового распылителя:
1 - подача порошка (осевая); 2 - подача кислорода; 3 - подача топлива;
4 - подача порошка (радиальная); 5 - ствол.