Насосы для нанесения пленочного покрытия

Тонкие пленки можно наносить на металл, стекло, пластмассу, керамику или бумагу. В этой статье сосредоточимся на методах термического испарения и рассмотрим несколько примеров.

Что такое термическое испарение? 

Термическое испарение - самая старая технология нанесения вакуумных покрытий. Материал плавится и испаряется при высоких температурах, и пары осаждаются на подложке. Изображение 1 иллюстрирует температуры, требуемые для обычно используемых материалов.

Скачать подборку оборудования для нанесения пленочного покрытия

Способы вакуумного нанесения пленочного покрытия термическим испарением

Материал должен быть нагрет до температуры, которая приводит к значительному высокому давлению паров, что ограничивает использование тугоплавкого материала и выбор емкости. Испарение может быть достигнуто путем электрического нагрева проводов или помещения их в электропроводящие тигли, изготовленные из материала со значительно более высокой температурой плавления. Оксиды можно выпаривать из испарителей в форме лодочек.

Требуемое базовое давление в устройстве для нанесения покрытия составляет 10^-7-10^-5 мбар в зависимости от требуемого качества слоя. Это делается для того, чтобы:

• Обеспечить средний свободный пробег испаренных атомов намного больше, чем расстояние от источника до подложки. Это гарантирует, что атомы прилетают не рассеянными молекулами остаточного газа.

• Обеспечить чистую поверхность, в противном случае испарение атомы не будут хорошо прилипать, образуя неустойчивый слой.

Материал также может быть расплавлен электронным лучом. Затем материалы можно выпаривать при более высоких температурах, что обеспечивает более высокую скорость испарения и способность плавить оксидные материалы. Тигли с водяным охлаждением гарантируют, что выпаренный материал тигля не загрязнит пленки. Скоростью испарения можно управлять, изменяя мощность электронного луча. Электронный луч отклоняется на 270 градусов с помощью магнита, как показано на рисунке 3. Раскачивая балку, расплавленную массу можно поддерживать при однородной температуре и использовать на полную мощность. Следует учитывать, что начальные инвестиции в устройства такого типа несколько выше, поскольку требуется высоковольтное питание и подача охлаждающей воды.

Вакуумные системы для термического испарения

Как правило, вакуумным системам для термических испарителей требуется час или меньше времени откачки из атмосферы до базового давления 10^-6 мбар.

Большинство установок сегодня используют турбомолекулярные насосы в диапазоне 300-1000 л / с, поддерживаемые либо двухступенчатыми плачтинчато-роторными насосами, либо сухими, спиральными или многоступенчатыми насосами Рутс. В идеале эти турбомолекулярные насосы монтируются горизонтально. Это предотвращает попадание мусора (фильтров от покрытий, нитей, крошечных винтиков и т.д.) в насос. Большинство систем не используют клапаны перед турбомолекулярными насосами.

Заслонка — с ручным или электрически/пневматическим приводом — расположена над испарителем. Это позволяет избежать непрерывного создания полной камеры, пока испаряемый материал горячий, нагревается или остывает. Это также гарантирует получение воспроизводимых слоев путем фиксации времени. Большинство устройств также используют тонкопленочный монитор для измерения (и контроля) толщины слоя покрытия.

Типичное лабораторное устройство для нанесения покрытий для исследования пленок показано на рисунке 2.

Области применения термического испарения

Оптика

Термическое испарение часто используется для покрытия оптики и офтальмологических линз. Для улучшения свойств линз выпаривается несколько слоев. Среди них антибликовые слои, твердые покрытия, защита от инфракрасного или ультрафиолетового излучения, защита от солнца и зеркальные покрытия. Вакуумные камеры имеют диаметр до 1500 мм — каждая вмещает до нескольких сотен линз, в зависимости от их диаметра. Линзы закреплены в специально разработанных вращающихся калотах, чтобы обеспечить равномерную тонкую пленку на всех продуктах в одной партии. Таким образом, вакуумная система состоит из турбомолекулярного насоса большего размера или крионасоса в сочетании с небольшой воздуходувкой Рутс перед вакуумной системой.

Упаковка

Более крупные лакировочные машины обычно создают рулонное покрытие для упаковочной фольги. Пленки, подобные алюминиевым, наносятся на пластиковую фольгу в виде рулонных покрытий. Эти тонкие пленки создают защитный барьер от воздуха и влаги, который продлевает свежесть и срок годности потребительских товаров. В этих производственных машинах с высокой производительностью поток газа в вакуумную систему огромен! Большие поверхности фольги, на которые наносится покрытие, создают большое количество дегазации. Как правило, вакуумные системы состоят из больших масляных диффузионных насосов для перекачки воздуха, поддерживаемого холодными панелями, для конденсации водяного пара. Эти холодные панели охлаждаются криогенными холодильниками, или  криохолодильники, иногда называемыми “полихолодными машинами”. Специальные криохолодильники предназначены для охлаждения до температуры 110К. Это обеспечивает скорость откачки водяного пара внутри камеры до 200 000 л/с. Предварительный вакуум создается системой воздуходувок Рутс.

Солнечные элементы

Технология нанесения покрытий является важным фактором в производстве фотоэлектрических элементов, поскольку она помогает повысить эффективность улавливания солнечной энергии. Фактически, покрытия могут повысить производительность этих устройств в самых разных областях применения. Например, они могут быть использованы для улучшения поглощения света внутри и вокруг царапин или частиц пыли на поверхности ячейки. Кроме того, покрытия могут также создавать просветляющие поверхности, которые уменьшают коэффициент отражения света и помогают обеспечить лучшую производительность солнечного устройства. Их можно наносить для повышения стрессоустойчивости, образуя защитный слой на поверхности ячейки, повышая ее устойчивость к растрескиванию или отслаиванию во время использования. Это означает, что даже в экстремальных погодных условиях солнечный элемент с покрытием по-прежнему будет оставаться эффективным - то, что было бы невозможно без технологии нанесения покрытия.

Тонкопленочные солнечные элементы становятся все более популярными для обеспечения устойчивого источника возобновляемой энергии. Элементы сделаны из тонких слоев аморфного кремния или теллурида кадмия, которые собирают солнечную энергию и преобразуют ее в электричество. Эти солнечные элементы обладают высокой эффективностью и могут производиться в больших количествах при относительно низкой стоимости, что делает их привлекательным вариантом для жилого и коммерческого использования. Процесс начинается со стеклянной подложки, которая покрывается оптической пленкой. Эта пленка действует как фильтр, поглощая солнечный свет и блокируя вредное ультрафиолетовое излучение. Подложка также содержит электроды, которые образуют электрическую цепь, которая захватывает образовавшиеся электроны и направляет их в другие части ячейки, где они обеспечивают питание.

Тонкопленочные солнечные элементы известны своей легкой конструкцией, которая позволяет им быть чрезвычайно универсальными и находит применение в самых разных областях применения, включая крыши домов, карманные калькуляторы и рамки для фотографий. Кроме того, их высокая эффективность позволила производителям быстро и эффективно разрабатывать новые продукты, что делает их привлекательным вариантом для многих жизненно важных технологий.