Вакуумный стенд для нанесения функциональных покрытий

Н. Ф. Кашапов, Г. С. Лучкин, Р. Ф. Тагиров

ВАКУУМНЫЙ СТЕНД ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

Ключевые слова: вакуумный стенд, плазма, магнетрон, источник питания. vacuum stand, plasma, magnetron, power supply.

Создан вакуумный стенд для нанесения функциональных покрытий с помощью низкотемпературной плазмы, генерируемой магнетронной распылительной системой. Для предотвращения дугообразования на катоде в источник питания магнетрона добавлено балластное сопротивление с нелинейной характеристикой. Рассчитаны характеристики силового трансформатора для источника питания.

Created vacuum stand deposition of functional coatings using low temperature plasma, generated by the magnetron sputtering system. To prevent arcing on the cathode in a magnetron power source added ballast to the nonlinear characteristic. Calculated characteristics of the power transformer for the power supply.

Плазменные технологии нанесения тонкослойных металлических и оксидных покрытий находят широкое применение в качестве упрочняющих, высокоотражающих, фильтрующих, защитных, просветляющих элементов в машиностроении, оптическом и оптико-электронном приборостроении. Получение наноструктурных покрытий с помощью низкотемпературной плазмы имеет большое практическое значение. С помощью низкотемпературной плазмы при пониженном давлении удается формировать слои с заданным законом изменения коэффициентов преломления и поглощения по глубине слоя. Напыление с помощью низкотемпературной плазмы позволяет:

• наносить покрытия на листовые материалы, на конструкции больших размеров, изделия сложной формы;

• покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (дерево, ткань);

• обеспечить равномерное нанесение покрытий, как на большой площади, так и на ограниченных участках больших изделий;

• механизировать и автоматизировать процесс напыления;

• использовать в качестве покрытий различные материалы: металлы, сплавы, оксиды, нитриды и их различные комбинации; наносить их в несколько слоев и получать покрытия со специальными характеристиками;

• обеспечить высокую производительность нанесения покрытий при относительно малой трудоемкости;

• наносить покрытия с высоким качеством: однородные, плотные, с хорошей адгезией.

Применение низкотемпературной плазмы получаемой в магнетронной распылительной системе (МРС), в которой используется аномальный тлеющий разряд в вакууме, позволяет осуществлять процесс испарения пленкообразующего материала с большой скоростью и с одновременной ионизацией и возбуждением распыленных атомов.

Целью данной работы является создание вакуумного стенда для нанесения функциональных покрытий с помощью низкотемпературной плазмы, генерируемой МРС.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: повысить скорость откачки; получить вакуум 2-10"5Торр (6,5-10-3 Па); зажечь разряд на магнетроне; устранить явление дугообразования на мишени магнетрона; нанести покрытия.

Для получения тонкопленочных оптических покрытий модернизирована вакуумная установка на базе УВН-70-А2 (рис. 1) [1]. В состав стенда входит: вакуумная камера, система вакуумной откачки, два магнетрона, источник питания магнетронов, система газоснабжения, многоканальная система сбора данных, система фотометрического контроля толщины покрытий, система вращения подложек с обрабатываемыми деталями, нагреватели подложек, система подачи охлаждающей воды, манометрические датчики, заслонка, клапан напуска воздуха.

Рис. 1 - Вакуумная установка УВН-70-А2

Вакуумная камера, изготовленная из стали 12Х18Н10Т, представляет собой горизонтально расположенный цилиндр с внутренним диаметром 700 мм и длиной 700 мм и объем вакуумной камеры составляет 0,27 м . Камера имеет фланец для присоединения паромасляного агрегата, а так же имеются две дверцы, на одной из которых закреплены два магнетрона, а на другой закреплено устройство вращения подложек и имеется окно для наблюдения за процессом напыления. Так же на камере предусмотрены фланцы для крепления манометрических преобразователей, трубопроводов форвакуумной линии, устройств подачи рабочих газов и напуска атмосферного воздуха.

Создания в вакуумной камере форвакуума (10-2 Торр), обеспечивает диффузионный насос совместно с механическим насосом НВР-16. Для герметичного перекрытия вакуумной камеры служит высоковакуумный затвор, а для вакуумпроводов вакуумные клапаны КВМ, ВЭП и КВЭ (рис. 2).

При данной скорости натекания имеющийся насос Н-380 осуществлял выход на рабочий режим за 1,5 часа. Для уменьшения времени выхода на рабочий режим была проведена замена насоса Н-380 на Н-400, имеющего более высокую скорость откачки. Для про-

ведения замены потребовалось изготовить и устранить специальный адаптер, позволяющий пристыковать насос Н-400 к водоохлаждаемой масляной ловушке. Благодаря этой замене время выхода на рабочий режим сократилось до 40 мин.

На входе в диффузионный насос установлена водоохлаждаемая ловушка, предназначенная для снижения обратного потока масляных паров. Основным параметром, влияющий на защитную способность ловушки оказывает температура ее панелей, которые служат для конденсации масляных паров. Так, удельный обратный поток масляных паров из диффузионного насоса без ловушки составляет 1 мг/(ч-см ). Водоохлаждаемая ловушка, охлаждаемая проточной водой, снижает обратный поток паров масла примерно в 100 раз и практически не требует эксплуатационного обслуживания [2].

Рис. 2 - Функциональная схема экспериментальной установки: 1 - вакуумная камера; 2 - боковые крышки; 3 - система вакуумной откачки; 4 - магнетроны; 5 - источник питания; 6 - система газоснабжения; 7 - система фотометрического контроля толщины покрытий; 8 - система вращения подложек; 9 - обрабатываемые детали; 10 - нагреватели подложек; 11 - смотровые окна; 12 - клапан напуска воздуха; 13 - манометрические датчики; 14 - штуцера подачи охлаждающей воды; 15 - заслонка; 16 - высоковольтный блок ионной очистки; 17 - высоковольтный электрод ионной очистки

Система питания установки рабочим газом состоит из баллонов с плазмообразующими газами: инертным Аг и реакционным О2, редукторов высокого давления ДКП-1-65, ротаметров РМГ-065 и РМГ-025, игольчатых натекателей.

Давление в вакуумной камере регулируется расходом плазмообразующего газа.

Система вращения подложек крепится к боковой крышке напротив магнетронов. Она предназначена для крепления деталей подготовленных для напыления и вращения их во время работы магнетрона с целью получения равномерной толщины нанесенных покрытий. Нагреватели подложек размещены на тыльной стороне подложкодержателя. Они служат для предварительного нагрева подложек от 50 до 250 °С с точностью 2 °С.

Чтобы вести визуальное наблюдение за процессом нанесения покрытии, на вакуумном стенде предусмотрены смотровые окна. Окно, расположенное на боковой стороне вакуумной камеры в одной плоскости с подложкодержателем, позволяет наблюдать за разрядом и контролировать положение подложек. Второе окно, расположенное на боковой крышке, под углом 900 относительно первого окна. позволяет наблюдать всё внутрикамер-ное пространство.

Вакуумметром ВИТ-2 с манометрическими преобразователями (ПМТ-2 и ПМИ-2) осуществлялось измерение давления в вакуумной камере.

Были проведены измерения скорости натекания в камеру, которые показали, что при закрытом затворе происходит непрерывное увеличение давления с 2-10"5 Торр до 2-10"3 Торр за 20 минут.

Как известно источниками газа в вакуумной системе являются течи и десорбция со стенок камеры. Для обеспечения высокого вакуума, стенд был проверен течеискателем. Найдены негерметичные места установки. После чего заменили черные вакуумные уплотнители на двух дверцах и смотровом окне, на уплотнители из белой вакуумной резины. В результате замены рабочая камера установки была откачана, до остаточного давления в камере 2-10"5 Торр.

Рабочим инструментом вакуумной установки, предназначенным для нанесения покрытий, являются магнетроны, которые работают при давлении рабочего газа от 0,25 до

0,4 Па. Реализуемый в МРС аномальный тлеющий разряд происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны, эмиттируемые из мишени под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем и совершают сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям вблизи поверхности мишени. В результате многократных столкновений электронов с атомами рабочего газа (обычно Аг) резко увеличивается степень ионизации плазмы и возрастает плотность ионного тока, что приводит к существенному (в 50-100 раз) по сравнению с диодными системами, увеличению скорости распыления материала мишени [3].

Основными рабочими параметрами МРС являются напряжение на электродах, величина разрядного тока, плотность тока на мишени, величина давления рабочего газа, индукция магнитного поля [4].

Измерение напряжения на катоде магнетрона осуществлялось вольтметром постоянного тока М-24, а амперметром постоянного тока М-906 измерялась сила тока разряда.

Качество получаемых покрытий зависит не только от характеристик самого магнетрона, но и от источника питания для него. Современный источник питания для магне-тронных распылительных систем - это система, реагирующая и на изменение внешних параметров и на процессы, происходящие в плазме разряда. В них применяют дополнительные специальные системы подавления возникновения дуг. Параметры таких систем, подавляющих отдельные дуги, обсуждаются в работах [5, 6] Общим способом подавления возникающих дуг является снятие напряжения питания или резкая смена полярности питающего напряжения [7].

Основной проблемой в работе магнетронных распылительных систем, особенно в режимах реактивного распыления является дугообразование - переход аномального тлеющего разряда, характеризующегося высоким напряжением горения и ограниченным током, в дуговую стадию, характеризующуюся низким напряжением горения и высоким током. Случайная реализация условий для перехода магнетронного разряда в дуговую стадию является неизбежным атрибутом технологии, поэтому приходится принимать меры, препятствующие развитию катодных пятен. В целях предотвращения перехода аномального

тлеющего разряда в дуговой, мы подключили последовательно с магнетроном балластное сопротивление. Оно состоит из 6 элементов сопротивления, соединенных последовательно-параллельно (рис. 3). В качестве элементов сопротивления выбраны галогеновые лампы марки J 254 1000Ж, имеющие нелинейную зависимость сопротивления от величины проходящего тока и обеспечивающие предотвращение дугообразование на работающем магнетроне.

R1 R2 R3

R4 R5 R6

Рис. З - Схема балластного сопротивления

Таким образом, после подключения балластного сопротивления к источнику питания, мы устранили явление дугообразования на мишени магнетрона.

Трехфазный источник питания магнетрона собран по схеме Ларионова и имеет характеристики: UH = 3SO В, ивых = 3OO-6OO B, 1вых = 2-15 А, при увеличении тока разряда выше В А балластное сопротивления резко возрастает, таким образом предотвращая возникновение дугообразования на катоде.

Для трехфазного трансформатора используемого в источнике питания магнетрона был проведен расчет первичных и вторичных обмоток [В, 9].

Обмотки силовых трансформаторов обычно подразделяют на обмотки высшего напряжения (НН) - первичные обмотки и низшего напряжения (ВН) - вторичные обмотки и высшего напряжения.

Число витков НН и ВН. Находим число вольт на виток ew, которое задается значением индукции В = 1,7 Тл, тогда

ею = 222 BFcT-10"4 = 1,05 В,

где FcT - сечение стержня.

Сначала определяем число витков обмотки НН. При этом принимаем во внимание, что соединена по схеме звезда

Uф = U^V3 , шнн = Uфнн/eШ = Uлнн/VзeШ = 131/1,05 = 124,76 принимаем 125 витков.

Число витков обмотки ВН определяется исходя из фазного коэффициента трансформации

Швн = Шнн (Uфвн/Uфнн) = Шнн (^вн^3/ U нн V3) = 125(220/131) = 210 витков.

Так как число витков нн округлялось до целого числа, то уточняем индукцию в стержне и ярме

Вст =Uфвн104/Whh222Fct = 1,б9 Тл.

Вя =Bct(Fст/ F^ = 1,57 Тл.

Расчет фазных токов в обмотках (Іфнн, Іфвн). При схеме «звезда»

Іф Іл

фнн = ілнн =Б-103/ (илнн V3')= 26,05 А;

Іфвн = ілвн = Б-103/ (илвн Vз)= 15,5 А.

Б = V3IU = 5906Вт *5,91 кВт

Согласно расчетным данным были намотаны первичные и вторичные обмотки трансформатора на сердечник. Это улучшило выходные характеристики источника питания, что позволяет нам зажечь и поддерживать разряд на магнетроне. Проведенные испытания показали, что трансформатор греется в пределах нормы.

Для выпрямления переменного напряжения применена схема Ларионова с использованием 6 сильноточных диодов Д 50 (Б4 - Б9). Диоды Б1 - Б3 подключены в качестве вольтдобавки. Электрическая схема источника питания показана на (рис. 4).

Рис. 4 - Электрическая схема источника питания

Создан вакуумный стенд для нанесения функциональных покрытий [10] с помощью магнетрона. В вакуумной камере достигнуто остаточное давление 2-10"5 Торр. Проведенные измерения показали, что благодаря замене насоса Н-380 на Н-400 возросла скорость откачки вакуумной камеры, а, следовательно, увеличилась производительность экспериментального вакуумного стенда. Рассчитан и изготовлен трансформатор для источника питания магнетронов поддерживающий ток разряда до 15 А. Подключено балластное сопротивление с нелинейной зависимостью внутреннего сопротивления от проходящего тока, обеспечивающее эффективное дугогашение. На созданном вакуумном стенде были нанесены функциональные покрытия. Характеристики данных покрытий регулируется режимами работы магнетронной распылительной системы.

Литература

1. Галяутдинов, Р.Т. Технология напыления высокоотражющих покрытий на изделия из АБС-пластика / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Инженерно - физический журнал АН. Беларуси. - 2002. -Т 75, № 5. - С.170-173.

2. Нестеров, С.Б. Применение охлаждаемых ловушек для диффузионных насосов / С.Б. Нестеров, А.В. Андросов // Материалы XIII научно-технической конференции Вакуумная наука и техника,

Под редакцией доктора технических наук, профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ. 2006. -С.62 - 66.

3. Данилин, Б.С. Применение низкой температурной плазмы для нанесения тонких пленок / Б.С. Данилин. - М.: Энергоатомиздат, 1989.- 63-64 с.

4. Данилин, Б.С. Магнетронные распылительные системы / Б.С. Данилин, В.К. Сырчин. - М.: Радио и связь, 1982.

5. Сhristie, D.J. Power system requirements for enhanced mid-frequency process stability / D.J. ^rishe, E.A. Seymour. - 46tf Annual Techn. Conf. Proc., (2003), Soc. of Vac. Coaters. -Р. 257-262.

6. Rettich, T. Arc management in DC and MF generators for large area coating systems / T. Rettich, L. Anderson.- 47tf Annual Techn. Conf. Proc., (2004), Soc. of Vac. Coaters. - Р. 237-240.

7. Берлин, Е.В. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок / Е.В. Берлин, С.А. Двинин, Л.А. Сейдман. - М: Техносфера, 2007.- 56 с.

8. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов / П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -С 26-28.

9. Дымков, А. М. Расчет и конструирование трансформаторов / А. М. Дымков // Учебник для техникумов.- М: Высш. школа, 1971.

10.Галяутдинов, Р. Т. Исследование функциональных покрытий, полученных различными методами нанесения / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Р.Ф. Тагиров // Научная сессия КГТУ. - Казань: Ид-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009.- С 280.

© Н. Ф. Кашапов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ, kashnail@mail.ru; Г. С. Лучкин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, gluchkin@mail.ru; Р. Ф. Тагиров - асп. той же кафедры, ff936.2@mail.ru.