СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАСОСА ПОСРЕДСТВОМ АТОМНО-СЛОЕВОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD AND DEVICE FOR PROTECTION OF PUMP INTERIOR SURFACES USING ATOMIC LAYER COATING

Область техники
Изобретение относится к атомно-слоевому осаждению (АСО), более конкретно к нанесению защитного покрытия посредством АСО.
Уровень техники
Метод эпитаксии атомных слоев (Atomic Layer Epitaxy, АСЭ) был изобретен доктором Туомо Сунтола (Tuomo Suntola) в начале 1970-х годов. Другим распространенным названием этого метода, к настоящему времени вытеснившим из обращения термин АСЭ, является атомно-слоевое осаждение (Atomic Layer Deposition, АСО). АСО - это вариант метода химического осаждения, основанный на последовательной подаче по меньшей мере двух различных прекурсоров по меньшей мере к одной подложке.
3
3
Тонкие пленки, сформированные посредством АСО, отличаются большой плотностью, свободны от точечных дефектов и имеют однородную толщину. Например, в экспериментальных условиях посредством термического АСО было осуществлено формирование слоя оксида алюминия из триметилалюминия (СН)Al и воды, в котором неоднородности занимают не более 1% площади поверхности подложки.
Одним из интересных применений технологии АСО является нанесение защитных покрытий на поверхности.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предлагается способ защиты внутренних поверхностей целевого (т.е. защищаемого) насоса, включающий следующие операции:
- подводят к входу и выходу защищаемого насоса впускной и выпускной манифольды соответственно и
- подвергают внутренние поверхности защищаемого насоса воздействию следующих друг за другом самоограниченных поверхностных реакций, последовательно подавая во внутренний объем защищаемого насоса через впускной манифольд реакционные газы и выводя через выпускной манифольд остаточные продукты реакций, причем насос все это время является включенным (функционирующим).
В ходе последовательных самоограниченных реакций (проводимых согласно методу АСО) во внутреннем объеме защищаемого насоса формируется требуемое защитное покрытие. Таким образом, используя АСО, можно внутри насоса нанести покрытие на все его внутренние поверхности, доступные для реакционных газов, причем в течение всего процесса нанесения покрытия насос может функционировать в рабочем режиме.
В некоторых вариантах способ включает подсоединение впускного и выпускного манифольдов соответственно к входу и выходу защищаемого насоса.
В некоторых вариантах реакционные газы и неактивный продувочный газ поступают во внутренний объем защищаемого насоса через впускной манифольд. В некоторых вариантах остаточные продукты реакций и продувочный газ выходят из внутреннего объема защищаемого насоса через выпускной манифольд.
Для реакций АСО внутренний объем защищаемого насоса может выполнять функцию реакционной камеры, а желаемую для них температуру можно обеспечить просто за счет функционирования насоса, так что дополнительный нагрев может не понадобиться. Соответственно, в некоторых вариантах способ включает обеспечение требуемой температуры обработки за счет функционирования защищаемого насоса без применения других средств нагрева.
В некоторых вариантах впускной манифольд снабжен оборудованием для запитывания реактора АСО. В некоторых вариантах в комплект такого оборудования могут входить линия (линии) подачи и компоненты, управляющие по меньшей мере желаемыми потоками прекурсоров и неактивного газа, такие как клапан (клапаны), контроллер (контроллеры) управления расходом потока, а также система управления данными компонентами.
Предусмотрена возможность выполнить эту систему, например, на основе программного обеспечения в ноутбуке или другом подобном устройстве. В некоторых вариантах впускной манифольд состоит из одной или более подающих линий, снабженных собственными управляющими компонентами, которые, в свою очередь, контролируются компьютерной управляющей системой. Подающее оборудование выполнено с возможностью подключения сменных источников прекурсоров и неактивного газа.
В некоторых вариантах выпускной манифольд связан с вакуумным насосом, а предлагаемый способ включает откачивание этим насосом, подсоединенным к выпускному манифольду, продувочного газа и остаточных продуктов реакций из внутреннего объема защищаемого насоса. Наличие вакуумного насоса позволяет реализовать один или более из следующих эффектов:
- обеспечить вакуумному насосу возможность откачивания остаточных продуктов реакций из внутреннего объема защищаемого насоса через выход защищаемого насоса,
- обеспечить, посредством вакуумного насоса, возможность откачивания/вакуумирования внутреннего объема защищаемого насоса.
В некоторых вариантах защищаемый насос является вакуумным насосом.
В некоторых вариантах самоограниченные поверхностные реакции проводят в температурном интервале от температуры окружающей среды до 150°C, т.е. температуру обработки методом АСО выбирают внутри данного интервала. В некоторых вариантах температура обработки методом АСО находится в интервале 120-150°C. В некоторых вариантах на требуемый уровень температуры обработки выходят, приводя в действие сам защищаемый насос. В других вариантах вместо этого или дополнительно перед обработкой методом АСО и/или во время нее защищаемый насос нагревают отдельным нагревателем.
В некоторых вариантах, как уже упоминалось, защищаемый насос относится к вакуумному типу, но в других вариантах тип этого насоса может быть другим. В частности, применительно к ряду вариантов термину "насос" придается более широкий смысл, охватывающий также компрессоры, на внутренние поверхности которых наносят покрытие посредством предлагаемого способа.
В некоторых вариантах способ включает формирование сквозного канала, проходящего через ряд защищаемых насосов, и, используя данный канал, обеспечивает защиту одновременно внутренних поверхностей всех этих насосов. В некоторых вариантах способ включает формирование сквозного канала посредством подсоединения выпускного манифольда предыдущего насоса к входу следующего насоса в ряду насосов.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается устройство, предназначенное для защиты внутренних поверхностей насоса и содержащее:
- впускной манифольд, сконструированный с возможностью подсоединения к входу защищаемого насоса, и
- выпускной манифольд, сконструированный с возможностью подсоединения к выходу защищаемого насоса.
При этом предлагаемое устройство при его использовании реализует способ согласно первому или третьему аспектам изобретения.
Соответственно, в некоторых вариантах предлагаемое устройство выполнено с возможностью во время его использования воздействовать на внутренние поверхности защищаемого насоса посредством следующих друг за другом самоограниченных поверхностных реакций, проводимых путем последовательной подачи реакционных газов во внутренний объем защищаемого насоса через впускной манифольд и вывода остаточных продуктов реакций через выпускной манифольд. При этом защищаемый насос все это время находится в рабочем режиме или выведен из него.
В некоторых вариантах впускной манифольд состоит из линий подачи парообразных прекурсоров и продувочного газа, причем эти линии снабжены собственными управляющими компонентами.
В некоторых вариантах выпускной манифольд снабжен вакуумным насосом.
В некоторых вариантах предлагаемое устройство выполнено мобильным. Конкретно, для устройства, обеспечивающего защиту насоса и содержащего впускной и выпускной манифольды, предусмотрена возможность перемещения в зависимости от требований пользователя. В некоторых вариантах впускной и выпускной манифольды представляют собой отдельные средства, выполненные с возможностью совместно выполнять свою функцию в способе защиты внутренних поверхностей защищаемого насоса. В некоторых вариантах впускной манифольд снабжен соединительным компонентом (коннектором), согласованным с конструкцией защищаемого насоса и предназначенным для подсоединения к его входу, т.е. в этих вариантах в конструкцию впускного манифольда входит соединительный компонент, согласованный с конструкцией защищаемого насоса и предназначенный для закрепления впускного манифольда во входе защищаемого насоса. В некоторых вариантах соединительным компонентом, согласованным с конструкцией защищаемого насоса и прикрепляемым к его выходу, снабжен выпускной манифольд.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается способ защиты внутренних поверхностей насоса, включающий следующие операции:
- подводят к входу защищаемого насоса впускной манифольд, а к выходу защищаемого насоса выпускной манифольд и
- подвергают внутренние поверхности защищаемого насоса воздействию следующих друг за другом самоограниченных поверхностных реакций, последовательно подавая во внутренний объем защищаемого насоса через впускной манифольд реакционные газы и выводя через выпускной манифольд остаточные продукты реакций, причем насос все это время не функционирует.
Выражение "насос не функционирует" означает, что насос выключен. В некоторых вариантах последовательные самоограниченные поверхностные реакции проводят при температуре окружающей среды. В других вариантах их проводят при повышенной температуре (т.е. при температуре, превышающей температуру окружающей среды). В некоторых вариантах эти реакции проводят в температурном интервале между температурой окружающей среды и 150°C. В некоторых вариантах защищаемый насос перед обработкой методом АСО или во время нее нагревают отдельным нагревателем. Варианты, описанные в связи с первым аспектом изобретения, и их комбинации применимы также и к третьему аспекту изобретения (и наоборот).
Различные аспекты и варианты изобретения были рассмотрены выше только с целью пояснения аспектов или операций, которые могут использоваться при реализации изобретения. Некоторые варианты могут быть реализованы применительно только к определенным аспектам изобретения. При этом должно быть понятно, что некоторые варианты, описанные в рамках одного аспекта, применимы и к другим аспектам, так что могут быть реализованы различные комбинации соответствующих вариантов.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично проиллюстрированы предлагаемое устройство и его применение согласно варианту изобретения.
На фиг. 2 представлена блок-схема способа согласно варианту изобретения.
Осуществление изобретения
В нижеследующем описании технология атомно-слоевого осаждения (АСО) рассматривается только в качестве примера. Основы формирования пленок методом АСО хорошо известны специалистам. Как было упомянуто выше, АСО представляет собой вариант метода химического осаждения, основанный на последовательном осаждении по меньшей мере двух различных прекурсоров по меньшей мере на одну подложку. В реакционной камере данную по меньшей мере одну подложку подвергают воздействию разделенных во времени импульсов прекурсора, чтобы в ходе последовательных самоограниченных поверхностных реакций осадить на ее поверхностях наносимое вещество. В контексте данной заявки термином АСО охватываются все применяемые технологии на основе АСО, а также любые эквивалентные или родственные технологии, такие, например, как технология молекулярного наслаивания (molecular layer deposition).
Базовый цикл осаждения методом АСО состоит из четырех последовательных операций (стадий): импульса А, продувки А, импульса В и продувки В. Импульс А включает подачу (напуск) паров первого прекурсора, а импульс В - подачу (напуск) паров другого прекурсора. На операциях продувки А и В используют неактивный газ и вакуумный насос, чтобы удалить из реакционного пространства газообразные побочные продукты реакции и остаточные молекулы реагента. Процесс осаждения состоит по меньшей мере из одного цикла. Циклы осаждения повторяют до тех пор, пока их последовательность не приведет к образованию тонкой пленки (покрытия) желаемой толщины. Циклы осаждения могут быть и более сложными. Например, они могут включать операции импульсной подачи трех или более парообразных реагентов, разделенные операциями продувки. Все такие циклы осаждения образуют временную последовательность осаждения, управление которой осуществляется логическим блоком или микропроцессором.
Как будет описано далее, в некоторых вариантах осуществления предлагаются способ и устройство для защиты внутренних поверхностей защищаемого насоса посредством защитного покрытия. Защищаемый насос сам по себе образует реакционную камеру, в которой отдельная подложка не предусмотрена, а ее функцию выполняют внутренние поверхности насоса (в данном контексте под подложкой подразумевается материал, на который происходит нанесение покрытия). Покрытие на все эти поверхности может быть нанесено посредством процесса АСО, в ходе которого во внутренний объем защищаемого насоса через впускной манифольд последовательно вводят парообразные прекурсоры, а остаточные продукты реакции выводят из внутреннего объема защищаемого насоса через выпускной манифольд. При этом во время процесса осаждения защищаемый насос является включенным (функционирующим). Желаемую для реакций АСО температуру процесса внутри защищаемого насоса можно обеспечить просто за счет включения защищаемого насоса. В других вариантах защищаемый насос выключен. Во всех вариантах предусмотрена возможность перед обработкой методом АСО и/или во время нее нагреть защищаемый насос отдельным нагревателем.
На фиг. 1 проиллюстрированы способ и соответствующее устройство согласно некоторым вариантам изобретения. Устройство, применяемое для защиты внутренних поверхностей насоса 10, имеет впускной манифольд 20 и выпускной манифольд 30. Предусмотрена возможность выполнить предлагаемое устройство в мобильной модификации, в которой его, если это необходимо, можно удобным образом приближать к насосам, подлежащим защитной обработке.
Впускной манифольд 20 выполнен с возможностью подсоединения к входу 11 защищаемого насоса. На фиг. 1 представлен впускной манифольд 20, подсоединенный к входу 11 защищаемого насоса посредством первого соединительного компонента (коннектора) 24, который может быть согласован с конструкцией защищаемого насоса. Выпускной манифольд 30 выполнен с возможностью подсоединения к выходу 14 защищаемого насоса. На фиг. 1 представлен выпускной манифольд 30, подсоединенный к выходу 14 защищаемого насоса посредством второго соединительного компонента 31, который может быть согласован с конструкцией защищаемого насоса.
Впускной манифольд 20 содержит подающее оборудование 70 реактора АСО. Оно состоит из подающих линий, снабженных собственными управляющими компонентами. Как показано на фиг. 1, к первому соединительному компоненту 24 прикреплены линия 41 подачи первого парообразного прекурсора, линия 42 подачи второго парообразного прекурсора и линия 43 подачи продувочного газа, начинающиеся соответственно от источника 21 первого прекурсора, источника 22 второго прекурсора и источника 23 продувочного/неактивного газа.
Управляющие компоненты подающих линий представляют собой компоненты контроля потока и времени. Для импульсов первого прекурсора управление временем подачи и потоком в соответствующей подающей линии 41 обеспечивают клапан 61 подачи первого прекурсора и контроллер 51 массового расхода первого прекурсора. Соответственно для импульсов второго прекурсора управление временем подачи и потоком в соответствующей подающей линии 42 обеспечивают клапан 62 подачи второго прекурсора и контроллер 52 массового расхода второго прекурсора. Наконец, для продувочного газа временем подачи и потоком управляют клапан 63 подачи продувочного газа и контроллер 53 массового расхода продувочного газа.
В варианте, представленном на фиг. 1, функционирование подающего оборудования 70 регулируется управляющей системой. Как показано на фиг. 1, между подающим оборудованием 70 и управляющей системой 71 предусмотрено управляющее соединение 72. Предусмотрена также возможность выполнить управляющую систему 71, например, на основе программного обеспечения в ноутбуке или другом подобном устройстве.
В некоторых вариантах процесс АСО во внутреннем объеме защищаемого насоса проводят в вакууме. Согласно одному варианту в выпускном манифольде 30 установлен вакуумный насос 33. В некоторых вариантах вакуумный насос 33 расположен в конце вытяжной линии 32, которая подведена к выходу 14 защищаемого насоса. В возможном варианте вакуумный насос 33 управляется управляющей системой 71 через электрическое соединение 73, которое может быть предусмотрено между ним и системой 71. В зависимости от типа защищаемого насоса 10 вакуумный насос 33 откачивает/вакуумирует внутренние поверхности защищаемого насоса полностью или по меньшей мере частично. В защищаемом насосе 10 могут находиться зоны, различающиеся по давлению. На фиг. 1 таким зонам соответствуют объемы 12 и 13. Стрелкой 15 обозначено направление потока внутри защищаемого насоса 10, т.е. поток проходит в насосе от входа 11 через внутренний объем (через объем 12, а затем, если это диктуется конструкцией насоса, через объем 13) к выходу 14. Если защищаемый насос 10 тоже относится к вакуумному типу, объемы, обозначенные на фиг. 1 как 12 и 13, можно считать зонами насоса, находящимися соответственно под пониженным давлением и под давлением внешней среды. Когда защищаемый (вакуумный) насос 10 находится в рабочем режиме, в объеме 12 сохраняется пониженное давление, а установленный в вытяжной линии вакуумный насос 33 используют для откачивания также и объема 13 до вакуумированного состояния.
В связи с фиг. 1 следует отметить, что в других вариантах предусмотрена возможность другого размещения впускного и выпускного манифольдов. Вместо раздельных подающих линий по меньшей мере некоторые из них могут быть общими. Типы клапанов, местоположения компонентов управления потоком и другие особенности устройства можно изменять. Например, вместо двухходовых клапанов могут быть использованы трехходовые клапаны, немедленно реагирующие на изменения маршрутов в подающих линиях. Что касается продувочного газа и источников прекурсоров, их выбор зависит от особенностей выполнения устройства, а также от параметров желаемого покрытия. Предусмотрена возможность нагрева защищаемого насоса нагревателем 16, работу которого можно контролировать, как вариант, посредством управляющей системы 71 через специальное соединение.
Материалами, пригодными для насоса, являются, например, металлы, такие как сталь и алюминий, однако этими материалами выбор не ограничен. К пригодным покрытиям относятся, в частности, карбид вольфрама и оксиды алюминия, титана и тантала, а также комбинации перечисленных соединений, хотя этими соединениями и их комбинациями выбор покрытий не ограничен. Для некоторых вариантов пригодные температуры обработки методом АСО находятся в интервале от температуры окружающей среды до 150°C, но пригодны также и другие интервалы температур. В некоторых вариантах защищаемый насос относится к вакуумному типу; однако в других вариантах насос может относиться к другому типу. В частности, есть варианты, в которых термину "насос" придается более широкий смысл, охватывающий также компрессоры, на внутренние поверхности которых наносят покрытие посредством предлагаемого способа.
На фиг. 2 проиллюстрированы операции способа, в соответствии с которым функционирует устройство по фиг. 1. Сначала мобильное устройство, посредством которого создается защита насоса, переносят к очередному насосу 10, подлежащему защитной обработке, или перемещают данный насос 10 к мобильному или стационарному устройству такого назначения. Подсоединяют впускной манифольд 20 к входу 11 насоса 10 (операция 81), а выпускной манифольд 30 - к выходу 14 насоса 10 (операция 82). Как вариант, включают насос 10 (операция 83). На операции 84 в соответствии с методом АСО обеспечивают последовательное введение парообразных прекурсоров во внутренний объем защищаемого насоса, чередуя это введение с операциями продувки, и откачивают вакуумным насосом 33 остаточные продукты реакций и продувочный газ, причем в ходе процесса осаждения формируется конформное покрытие. Затем выключают насос (операция 85) и отсоединяют впускной манифольд 20 от входа 11 защищаемого насоса (операция 86), а выпускной манифольд 30 - от выхода 14 защищаемого насоса (операция 87).
В следующих вариантах насосы, внутренние поверхности которых подлежат защите, устанавливают в виде последовательной цепочки. В данном случае впускной манифольд подсоединяют к входу первого защищаемого насоса таким же образом, как это было описано для предыдущего варианта. Первый конец первого выпускного манифольда подсоединяют к выходу первого защищаемого насоса, а противоположный конец этого же манифольда - к входу второго защищаемого насоса. Первый конец второго выпускного манифольда подсоединяют к выходу второго защищаемого насоса, а противоположный конец этого же манифольда - к входу третьего защищаемого насоса (и т.д.). За счет такого расположения для множества насосов, установленных в виде цепочки, можно одновременно обеспечить защиту посредством единственной обработки методом АСО. Газы поступают во внутренний объем первого защищаемого насоса через впускной манифольд, а во внутренние объемы следующих защищаемых насосов - через выпускной манифольд предыдущего насоса, причем это происходит до тех пор, пока газы, в конце концов, не попадут в вакуумный насос, установленный в конце цепочки. Таким образом, формируется сквозной канал, проходящий через установленные в ряд защищаемые насосы, и за счет использования этого канала обеспечивается одновременная защита внутренних объемов защищаемых насосов. Сами защищаемые насосы могут относиться к вакуумному типу или к любому другому известному типу насосов.
Конкретные технические результаты, достигнутые одним или более приведенными вариантами (но не ограничивающие объем и интерпретацию формулы изобретения), заключаются в защите внутренних поверхностей насоса посредством эффективного защитного покрытия, а также в защите насоса, готового к использованию (собранного) и содержащего соответствующие уплотняемые поверхности. Если проводить защиту отдельно для каждого еще не собранного насоса, в процессе сборки его детали могут поцарапаться. Еще одним техническим результатом является возможность применения защищаемого насоса, самого по себе, для нагрева собственного внутреннего объема, что достигается включением данного насоса на время процесса осаждения.
Следует отметить, что некоторые рассмотренные выше операции способа могут быть проведены в другом порядке и/или одновременно одна с другой. Кроме того, одну или более из описанных операций или функций способа можно выполнить только в случае необходимости или в комбинации с другими операциями/функциями.
Данное описание содержит только неограничивающие примеры реализации конкретных вариантов изобретения, включая полное и информативное раскрытие варианта осуществления изобретения, представлявшегося авторам изобретения оптимальным на момент составления описания. Однако специалистам должно быть понятно, что изобретение не ограничивается представленными вариантами и может быть реализовано в других вариантах, использующих эквивалентные средства, не выходящие за пределы изобретения.
При этом некоторые признаки описанных вариантов изобретения могут эффективно использоваться без одновременного использования других признаков. Поэтому приведенное описание должно рассматриваться как иллюстрация принципов изобретения, не ограничивающая его объем, который определяется только прилагаемой формулой.