УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАКУУМНОГО НАНЕСЕНИЯ МАТЕРИАЛА
VACUUM MATERIAL APPLICATION DEVICE

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно устройствам для вакуумного нанесения материалов, предназначенных, прежде всего, для использования в электронной технике.
Электронная техника СВЧ предъявляет особые требования и к устройствам для вакуумного нанесения материалов (далее устройствам) и его элементам и, прежде всего, с точки зрения обеспечения высокого качества и надежности нанесенных материалов.
Известна система охлаждения, предназначенная для устройств вакуумного нанесения материала, содержащая подложкодержатель, механические прижимы и теплопроводящее вещество [1].
Которая, с целью повышения эффективности охлаждения, дополнительно снабжена трубчатой рубашкой охлаждения, размещенной внутри теплопроводящего вещества с возможностью автоматической подачи хладагента от холодильной установки.
Однако данная система охлаждения
во-первых, предназначена только для охлаждения подложкодержателя,
во-вторых, достаточна сложна, так как требует наличия холодильной установки.
Известно устройство для нанесения фотопроводниковых слоев в вакууме, содержащее подложкодержатель для герметичной установки на него цилиндрической подложки, выполненной в виде стяжной трубы со сквозными продольными пазами и системы подвода и отвода теплоносителя в виде двух коаксиальных труб, установленных внутри стяжной трубы, и двух фланцев с прокладками, установленных на стяжной трубе с возможностью вращения, и испарители [2].
В котором с целью улучшения качества нанесенных слоев за счет повышения равномерности распределения температуры по всей поверхности подложки, на наружной трубе системы подвода и отвода теплоносителя выполнены отверстия, расположенные равномерно, а их площадь равна 0,05-0,1 площади поперечного сечения промежутка между трубами, а расстояние между отверстиями равно 0,33-0,5 расстояния между наружной трубой системы подвода и отвода теплоносителя и внутренней стенкой устанавливаемой подложки.
Система подвода и отвода теплоносителя установлена неподвижно и коаксиально стяжной трубе.
Однако указанные системы подвода и отвода теплоносителя в виде двух коаксиальных труб требуют дополнительных систем нагрева и перемещения теплоносителя, а также специального теплостойкого ввода вращения.
Кроме того, данное устройство является ненадежными, прежде всего, из-за наличия в нем прокладок между фланцами с циркулирующим горячим теплоносителем, что может привести к разгерметизации и попаданию теплоносителя в вакуумную камеру устройства и соответственно выходу его из строя.
Известно устройство для нанесения многослойных покрытий материалов в вакууме, содержащее вакуумную камеру с крышкой и размещенные в ней ионно-плазменные источники наносимого материала, механизм транспортирования подложек по направляющим, систему двусторонней вакуумной откачки, натекатели рабочего газа, механизм вращения подложек и нагреватели подложек [3] - прототип.
В котором, с целью повышения производительности, упрощения конструкции и эксплуатации, вакуумная камера выполнена цилиндрической с кольцевым поперечным сечением, направляющие имеют форму кольца.
Подложки установлены на катках, размещенных на направляющих и шарнирно соединенных между собой с образованием замкнутого конвейера, а механизм транспортирования подложек выполнен в виде механизма циклического передвижения конвейера катков.
С целью нанесения многокомпонентных покрытий, вакуумная камера снабжена вертикальными и горизонтальными люками с заглушками для размещения в каждом из них ионно-плазменного источника.
При этом крышка вакуумной камеры может быть выполнена цельносъемной.
Данное устройство требует наличия проточной системы охлаждения вакуумной камеры, ввода вращения и механизма перемещения подложкодержателя (конвейер катков, направляющие, механизм циклического передвижения конвейера катков), которая (проточная система) отличается:
во-первых, ненадежностью,
во-вторых, ее применение возможно далеко не во всех случаях и прежде всего из-за конструкционных особенностей устройства.
Более того, данное устройство для вакуумного нанесения, как и любое устройство, имеющее соприкасающиеся - взаимодействующие элементы отличается ненадежностью из-за наличия узлов трения.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, упрощение и расширение функциональных возможностей устройства для вакуумного нанесения материала и соответственно повышение качества и надежности нанесенного материала.
Указанный технический результат достигается устройством для вакуумного нанесения материала, содержащим вакуумную камеру, в которой расположены испаритель наносимого материала, подложкодержатель, нагреватель подложкодержателя, механизм перемещения подложкодержателя и вакуумная система.
Устройство дополнительно содержит
вакуумный ввод вращения сальникового или сильфонного типа (далее ввод вращения) и
систему теплообмена,
при этом упомянутый вакуумный ввод вращения снабжен на каждом из концов муфтой и закреплен на стенке вакуумной камеры,
а конец вакуумного ввода вращения, расположенный в вакуумной камере, соединен с верхним концом соответствующей муфты с помощью теплоизолирующего стержня, длина которого выбрана из условия тепловой развязки между вакуумным вводом вращения, муфтой и подложкодержателем,
при этом диаметры вала вакуумного ввода вращения и теплоизолирующего стержня определены в соответствии с прочностными характеристиками для передачи крутящего момента на подложкодержатель,
система теплообмена расположена внутри вакуумной камеры и закреплена на ее стенке концентрически соосно с вакуумным вводом вращения и выполнена в виде, по меньшей мере, одного экрана,
при этом механизм перемещения подложкодержателя выполнен в виде системы подшипников скольжения, расположенных на валу и установленных во втулке,
при этом теплоизолирующий стержень и экран системы теплообмена выполнены из керамического материала 22ХС или из алунда, или из стали Х18Н10Т, подшипники скольжения - из материала с классом твердости не менее седьмого по шкале Мооса.
Подшипники скольжения выполнены из стеклоуглерода либо из металлического материала с покрытием из дисульфида молибдена или из нитрида бора.
Система теплообмена выполнена в виде по меньшей мере двух экранов из одного из упомянутых материалов или из их комбинации, закрепленных на стенке вакуумной камеры концентрически соосно с вводом вращения друг относительно друга.
Раскрытие сущности.
Существенные признаки заявленного устройства для вакуумного нанесения материала и их совокупность обеспечат, а именно.
Наличие вакуумного ввода вращения сальникового или сильфонного типа, и когда он снабжен на каждом из концов муфтой и закреплен на стенке вакуумной камеры, и когда его конец, расположенный в вакуумной камере, соединен с верхним концом соответствующей муфты с помощью теплоизолирующего стержня из вакуумплотной корундовой керамики или из стали, длину которого выбирают из условия тепловой развязки между вакуумным вводом вращения, муфтой и подложкодержателем обеспечат оптимизацию тепловой развязки вакуумного ввода вращения и нагреваемых элементов (подложкодержателя и муфты) и тем самым - оптимизацию передачи тепла за счет теплопроводности и снижение температуры сальниковых и сильфонных уплотнителей вакуумного ввода вращения до рабочих температур и тем самым обеспечивается повышение надежности этих элементов и, как следствие - повышение надежности устройства в целом.
Более того, указанная оптимизация тепловой развязки ввода вращения и нагреваемых элементов обеспечивает (не исключает) возможность использования ввода вращения, часть элементов которого (сальниковые и сильфонные уплотнители) изготовлены из низкотемпературных материалов, для случаев вакуумного нанесения материалов, технологические условия которых предусматривают высокотемпературный нагрев. И при этом, не требуя необходимости дополнительного охлаждения (например, в виде проточной системы).
И как следствие этого - расширение функциональных возможностей.
Наличие системы теплообмена и расположение ее внутри вакуумной камеры и закрепление на ее стенке концентрически соосно с вводом вращения и выполнение ее в виде, по меньшей мере, одного экрана из вакуумплотной корундовой керамики или из стали обеспечат:
во-первых, экранирование вакуумного ввода вращения от теплового излучения нагреваемых поверхностей (нагревателя подложкодержателя и самого подложкодержателя) и тем самым обеспечивается устранение перегрева вакуумного ввода вращения и тем самым обеспечивается
а) его работоспособность и надежность и, как следствие - повышение надежности устройства в целом,
б) расширение функциональных возможностей,
во-вторых, защиту вакуумного ввода вращения от образования нежелательных пленок во время технологического рабочего процесса нанесения и тем сам исключается загрязнение самого ввода вращения и тем самым исключается:
а) заклинивание взаимодействующих элементов,
б) загрязнение вакуумной камеры, могущей привести к выходу ее испарителя из строя в случае короткого замыкания, а также снижению качества наносимого материала.
Выполнение механизма перемещения подложкодержателя в виде системы подшипников скольжения, расположенных на валу и установленных во втулке, и когда подшипники скольжения выполнены из материала с классом твердости не менее седьмого по шкале Мооса, обеспечат:
во-первых, значительное упрощение механизма перемещения подложкодержателя и соответственно упрощение устройства в целом,
во-вторых, значительное повышение износостойкости поверхности взаимодействующих элементов (вала и подшипников скольжения), расположенных в высокотемпературной зоне, и тем самым предотвращение возможности их заклинивания, и как следствие - повышение надежности устройства.
Выполнение подшипников скольжения из стеклоуглерода либо из металлического материала с покрытием из дисульфида молибдена или из нитрида бора обеспечит дополнительное и можно сказать максимальное снижение трения между взаимодействующими элементами (подшипниками скольжения и валом ввода вращения) при данных технологических условиях и тем самым дополнительное повышение надежности этих элементов и, как следствие - дополнительное повышение надежности устройства в целом.
Выполнение системы теплообмена в виде, по меньшей мере, двух экранов из одного из упомянутых материалов или из их комбинации, закрепленных на стенке вакуумной камеры концентрически соосно с вводом вращения друг относительно друга, обеспечат максимально допустимую защиту ввода вращения от перегрева и, как следствие - дальнейшее повышение надежности устройства в целом.
И, соответственно, совокупность всех указанных существенных признаков обеспечат повышение качества и надежности нанесенных материалов.
Изобретение иллюстрируется чертежом.
На чертеже представлен схематично общий вид (разрез) заявленного устройства для вакуумного нанесения материала, где
- вакуумная камера - 1,
- испаритель - 2,
- подложкодержатель - 3,
- нагреватель подложкодержателя - 4,
- механизм перемещения подложкодержателя - 5,
- вакуумная система - 6,
- вакуумный ввод вращения сальникового или сильфонного типа - 7,
- система теплообмена - 8,
- две муфты - 9,
- теплоизолирующий стержень - 10,
- система подшипников скольжения - 11 механизма перемещения подложкодержателя,
- вал - 12 механизма перемещения подложкодержателя и его втулка - 13.
Пример конкретного выполнения заявленного устройства для вакуумного нанесения материала.
В вакуумной камере 1 колпакового типа из стали марки Х18Н10Т выполнены и расположены:
- испаритель 2 электронно-лучевого типа (пушка электронная 2.030003 СБ),
- подложкодержатель 3 из титана марки ВТ1,
-3
- нагреватель подложкодержателя - 4 из проволоки молибдена диаметром 2,0×10 м марки МЧ,
- механизм перемещения подложкодержателя - 5, выполненный в виде системы подшипников скольжения 11 из стеклоуглерода 1916-027-27208846-01 ТУ (класс твердости по шкале Мооса, равный 7), расположенных на валу 12 и установленных во втулке 13,
- вакуумная система 6,
- вакуумный ввод вращения 7 сальникового типа (3.366027 СБ), снабженный на каждом из концов соответствующей муфтой 9 и закрепленный на стенке вакуумной камеры 1,
- система теплообмена - 8 выполнена в виде двух экранов из вакуумплотной корундовой керамики ВК94-1 (22ХС) и расположена внутри вакуумной камеры 1 и закреплена на его стенке концентрически соосно с вакуумным вводом вращения 7,
- конец вакуумного ввода вращения 7, расположенный в вакуумной камере 1, соединен с верхним концом соответствующей муфты 9 с помощью теплоизолирующего стержня 10, выполненного из вакуумплотной корундовой керамики ВК94-1 (22ХС) длиной, равной 0,058 м, которую определяют исходя из условия тепловой развязки между вакуумным вводом вращения 7, муфтой 9 и подложкодержателем 4, например, согласно выражению:
L≥λ×[S×(T1-T2)/Q-1/α1-1/α2], где
λ - коэффициент теплопроводности теплоизолирующего стержня, Вт/(м×град),
2
S - площадь нагревателя подложкодержателя, м,
Т1 и Т2 - температура на концах теплоизолирующего стержня соответственно, град,
Q - мощность нагревателя подложкодержателя, Вт;
2
α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны вакуума и атмосферы соответственно, Вт/(м×град) [4].
При этом диаметры валов вакуумного ввода вращения 7 и теплоизолирующего стержня 10 равны 0,008 м и 0,015 м соответственно, определены в соответствии с прочностными характеристиками для передачи крутящего момента на подложкодержатель [5].
Примеры 2-5.
Аналогично примеру 1 выполнено вакуумное устройство для нанесения материала, но при этом
система подшипников скольжения 11 выполнена из металлического материала с покрытием из дисульфида молибдена или нитрида бора (примеры 2, 3 соответственно),
экран системы теплообмена выполнен из стали марки Х18Н10Т (пример 4).
Устройство для вакуумного нанесения материала работает следующим образом.
Предварительно подготавливают элементы устройства к работе, а именно:
- разгерметизировывают вакуумную камеру 1,
- подготавливают испаритель наносимого материала 2,
- устанавливают рабочую пластину на подложкодержатель 3,
- герметизируют вакуумную камеру 1,
-4
- откачивают вакуумную камеру до 6,6×10 Па,
- включают нагреватель подложкодержателя 4 и нагревают до рабочей температуры (температуры наносимого материала), например, рабочая температура системы материала титан - никель соответствует 300°C,
- подготавливают испаритель 2 к напылению последовательности указанных материалов (титан-никель),
- включают привод вакуумного ввода вращения 7,
- проводят процесс вакуумного нанесения указанных материалов,
- охлаждают до температуры не выше 45°C.
Отключают установку в обратной последовательности.
Изготовленные образцы многослойной пленки указанных материалов были исследованы
а) визуально с помощью микроскопа БИОЛАМ,
s
б) измерены электрические характеристики - поверхностное сопротивление R посредством измерения тестовых резисторов.
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы изготовленные образцы многослойных пленок в полном объеме отвечали заданным требованиям, а именно
а) внешнему виду (отсутствие включений, отслаивания, трещин, цветов побежалости),
б) по толщине,
в) однородности и равномерности структуры пленок, выявленные посредством химического травления никеля в смеси - ортофосфорной, уксусной и азотной кислот, титана в смеси - плавиковой и азотной кислот,
s
г) по заданным электрическим характеристикам (электрическому сопротивлению R).
Таким образом, заявленное устройство для вакуумного нанесения материала по сравнению с прототипом обеспечит повышение надежности, упрощение и расширение функциональных возможностей и соответственно повышение качества и надежности нанесенного материала с точки зрения как физических, так и электрических их характеристик.
Источники информации
1. Патент РФ №2089662 МПК C23C 14/50, приоритет 29.11.1993, опубликовано 10.09.1993.
2. Авторское свидетельство №1306161 МПК C23C 14/50, приоритет 12.05.1985, опубликовано 27.04.2008.
3. Патент РФ №2036246 МПК C23C 14/50, приоритет 18.04.1991, опубликовано 27.05.1995.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Изд. Ленинград «Химия», 1987, с.149-213.
5. Демихов К.Е. «Вакуумная техника. Справочник» 3-е издание, М., Машиностроение, 2009, с.173-184.