Насосы для вакуумного напыления

Напыление-это процесс, при котором атомы вылетают из твердого материала мишени в результате бомбардировки частицами высокой энергии. Сегодня это более развитый процесс, его использование широко распространено, а используемые технологии быстро развиваются.

Впервые эффект напыления был замечен Гроувом в 1852 году и Фарадеем в 1854 году. Первые теоретические дискуссии и публикации о напылении были опубликованы до Первой мировой войны, но по-настоящему оно появилось только в 1950-х годах. В то время разработка покрытий была больше сосредоточена на испарении. Однако в 60-х годах одними из первых промышленных изделий массового производства, использующих технологию напыления, были бритвенные лезвия с хромовым напылением.

Скачать подборку оборудования для вакуумного напыления

Методы получения тонких пленок

Принцип катодного напыления

При катодном напылении твердая мишень подвергается бомбардировке ионами высокой энергии. Эти ионы генерируются разрядом в постоянном поле (распыление постоянным током). Мишень находится под отрицательным потенциалом в несколько 100 вольт, в то время как подложка является положительным электродом. При введении инертного газа (в большинстве случаев аргона) образуется плазма за счет ионизации газа. Затем ионы Ar+ ускоряются по направлению к мишени. Здесь они распыляют катодный материал, который затем осаждается на подложке  Это хорошо работает до тех пор, пока цель металлическая. Если мишень электрически непроводящая, она быстро станет положительно заряженной, и это поле не позволит ионам достичь мишени.

Принцип магнетронного напыления

Часто задействуется дополнительное магнитное поле под мишенью. В этом процессе генерируемые электроны летят по длинным спиральным дорожкам, что повышает вероятность ионизации. Это приводит к более высокой скорости распыления и лучшей фокусировке на цели.

Принцип реактивного напыления

Если на подложку необходимо нанести оксиды, применяется реактивное распыление. В дополнение к распыляемому газу Аргону в вакуумную камеру вводится кислород. Кислород реагирует с материалом мишени с образованием оксидов, примером является 4 Al (мишень) + 3 O2 ==> 2 Al2O3 (подложка).

Принцип радиочастотного напыления (ВЧ напыление)

при отрицательном (а) и положительном (б) полупериодах напряжения: 

1 - экран; 2 - катод; 3 - ионы; 4 - плазма; 5 - электроны; 6 - молекулы

Радиочастотное напыление позволяет напылять изолирующие (непроводящие) материалы. Оно работает за счет использования мощности, подаваемой на радиочастотах — часто фиксированных на частоте 13,56 МГц — вместе с соответствующей сетью. Чередуя электрический потенциал с радиочастотным напылением, поверхность материала мишени можно “очищать” от накопления заряда с каждым циклом. В положительном цикле электроны притягиваются к материалу или поверхности мишени, придавая ей отрицательное смещение. На отрицательном цикле ионная бомбардировка распыляемой мишени продолжается.

Вакуумные системы для нанесения тонких пленок

Вакуумная система распылителя более сложна, чем в термических или электронно-лучевых испарителях. Как и для всех подложек, требуется базовое давление в диапазоне высокого вакуума. Это необходимо для того, чтобы получить чистые поверхности — особенно на подложке — и избежать загрязнения остаточными молекулами газа. Обычно базовое давление перед началом процесса нанесения покрытия составляет 10-6 мбар или выше. После этого вводится распыляемый газ, что означает дополнительный поток газа, который должен обрабатываться вакуумным насосом. 

Расход газа варьируется от нескольких кубометров в исследовательских областях до нескольких 1000 кубометров в производственных установках (примечание: 1 кубометр равен 1,69·10-2 мбар*л/с). Давление во время напыления находится в диапазоне от 10-3 до примерно 10-2 мбар. Расход газа обычно регулируется регулятором расхода, в то время как толщина слоя регулируется регулятором толщины пленки.

Турбомолекулярный насос Leybold для вакуумного напыления

Турбомолекулярный насос - это классическая рабочая лошадка в распылительных устройствах. Он обеспечивает быструю откачку до базового давления и обеспечивает большие потоки распыляемого газа. В большинстве лабораторных устройств используются механические насосы среднего размера со скоростью откачки 300-1000 л/с, в то время как форвакуумные насосы представляют собой пластинчато-роторные насосы или небольшие сухие насосы (спиральные или многоступенчатые насосы Рутса).

В случае реактивного напыления-при добавлении кислорода - убедитесь, что смазочные материалы насосов (подшипник механического насоса и масло в пластинчато-роторном насосе) не окисляются. Классическим решением является добавление продувочного газа в ТМН и использование масла с высокой устойчивостью к кислороду в форвакуумном насосе. 

Сегодня для производства более крупных покрытий используются турбомолекулярные насосы с магнитной подвеской. Это позволяет избежать окисления смазки подшипника и обеспечивает лучшее время накачки. Высокая производительность распыляющего газа аргона также приводит к более высокой температурной нагрузке на насос. С одной стороны, это требует большего ускорения из-за более высокого трения ротора. С другой стороны, тяжелый газообразный аргон является плохим теплопроводником и обеспечивает меньшее охлаждение ротора. 

Напыление в камере управляется с помощью регуляторов расхода. Регулирование температуры с помощью скорости вращения слишком медленное, поэтому во время распыления часто закрывается дополнительный дроссельный клапан на верхней части ТМН. Сухие насосные системы сегодня являются стандартом для опорных магнитных ТМН.

Крионасос Leybold для вакуумного напыления

Во многих больших распылительных устройствах используются крионасосы. Преимуществом крионасоса в этом случае является его высокая скорость откачки, особенно для водяного пара, поскольку базовое давление может быть достигнуто быстрее. Некоторые крионасосы разработаны специально для процессов напыления; эти насосы работают и регенерируются автоматически. 

Самым первым крионасосам приходилось сталкиваться с проблемой, заключавшейся в том, что аргон уже мог конденсироваться в перегородке, где температура может достигать 35 К. В этом случае аргон конденсируется, но при давлении паров всего 10-4 мбар. После нанесения покрытия такие насосы с высокой нагрузкой не могли достичь требуемого базового давления высокого вакуума. Однако современные контроллеры крионасосов управляют первой ступенью криоголовки с нагревателями при температурах выше 70 K.

В заключении

В этой статье мы показали различные основные методы технологий нанесения покрытий методом напыления и связанные с ними вакуумные технологии. Напыление - это наиболее распространенная и передовая технология нанесения тонких пленок для дисплеев, солнечных батарей, полупроводников, датчиков и фольги.