ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 1. Специальная часть
advertisement
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение - - - - - - - - - - 6 1. Специальная часть - - - - - - - - 9 1.1. Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий 9 1.1.1. Плазмохимическое газофазное осаждение (ПХГО) - 9 1.1.2. Физическое газофазное осаждение (ФГО) - - 16 1.1.2.1. Методы, реализующие процесс испарения - 17 1.1.2.2. Методы, реализующие процесс распыления - 23 - 28 1.2. Магнетронные распылительные системы - - 1.2.1. Цилиндрические коаксиальные магнетронные системы 28 1.2.2. Магнетронные системы с плоским катодом - - 30 1.2.3. МРС со сбалансированным магнитным полем - - 31 1.2.4. МРС с несбалансированным магнитным полем - - 32 1.2.5. Несбалансированные МРС с двумя магнетронами - 36 1.2.6. МРС с устройствами для дополнительной ионизации газа - - - - - - 38 1.2.7. МРС с импульсным питанием - - - - 39 1.2.7.1. МРС с биполярным питанием - - - 40 1.2.7.2. Дуальное магнетронное распыление - - 41 - - 43 - - 44 - - 44 2.2. Разработка магнетронной распылительной системы - 47 2.3. Модернизация откачной системы - - - - 49 2.4. Разработка системы газонапуска - - - - 55 2.5. Разработка аксиального установочного устройства - - 56 2.6. Разработка системы ионной очистки поверхности - - 57 1.3. Сущность модернизации - - - 2. Конструкторско-технологическая часть - - 2.1. Общие сведения об установке вакуумной металлизации (УВМ-1200) - - - - - - 4 3. Охрана труда - - - - - - - - - 63 3.1. Электробезопасность - - - - - - - 63 3.2. Пожарная безопасность - - - - - - 70 - - - - 72 - - - - 74 - - - - 76 - - 76 3.3.Меры безопасности при обращении с газовыми баллонами - - - 3.4. Защита от электромагнитных полей 4. Экологическая часть - - - 4.1. Влияние электромагнитных полей на экологию Заключение - - - - - - - - - 79 - - - - - - - - 80 Приложение. Спецификация на магнетрон - - - - 82 Список литературы 5 ВВЕДЕНИЕ Цель работы – разработка оборудования для нанесения равномерных антидеструкционных покрытий на подложки большой площади (топливные и кислородные баки космических аппаратов) на базе установки вакуумной металлизации типа УВМ-1200. Эффективность, долговечность, надёжность деталей, узлов машин и приборов в значительной поверхностными степени свойствами определяется используемых не объёмными, материалов. тонкоплёночных покрытий даёт большие возможности по а Нанесение получению необходимых поверхностных свойств изделий. Тонкоплёночное покрытие позволяет изменить химический состав и структуру поверхности, её физические и химические свойства, степень чистоты обработки поверхности и её микрогеометрию. Поэтому проблема нанесения тонкоплёночных покрытий является одной из самых значимых в технологии электронного машиностроения. В настоящее время актуальной задачей является нанесение антидеструкционных покрытий на изделия ракетно-космической техники. Антидеструкционные покрытия позволяют значительно снизить воздействие космического излучения и атомарного кислорода на детали космических аппаратов, тем самым в несколько раз повышая их срок службы. К таким изделиям, в частности, относятся применяемые в космических аппаратах бак окислителя и бак для горючего. Применяемый в космических аппаратах кислородный бак (рис. 1) представляет собой цилиндрический корпус длиной 1200 мм и диаметром 320 мм. 6 Рис. 1. Бак окислителя 7 Конструкция бака предусматривает его крепление за штуцера, расположенные по торцам бака. Внешняя силовая оболочка бака выполнена из композитного материала. Для продления срока службы кислородного бака на его внешнюю поверхность необходимо нанести антидеструкционное покрытие. Значительные габаритные размеры баков предъявляют соответствующие требования к оборудованию для нанесения покрытия: возможность наносить качественные покрытия на поверхности большой площади. Для решения этой задачи необходимо выбрать метод нанесения покрытий, который позволит нанести покрытие с максимальной равномерностью и желательно с высокой скоростью. Поэтому в специальной части диплома подробно рассмотрены возможные методы нанесения покрытий, а также различные способы реализации магнетронных распылительных систем. Конструкторско-технологическая часть посвящена разработке установки для нанесения покрытий методом дуального магнетронного распыления. Разработка проводится на базе установки вакуумной металлизации типа УВМ-1200, так как данная установка обладает размерами, позволяющими применять её для нанесения покрытий на крупногабаритные изделия. 8 1. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1.1. Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий В настоящее время существует множество различных способов нанесения покрытий. Наиболее прогрессивными из них являются вакуумные ионноплазменные методы. Эти методы обладают эффективностью, экологической безопасностью и позволяют наносить высококачественные покрытия из широкой номенклатуры материалов. По способу формирования ионно-плазменных потоков методы нанесения покрытий делятся на два основных класса – методы плазмохимического газофазного осаждения (ПХГО) и методы физического газофазного осаждения (ФГО). Проблемой существующих методов нанесения покрытий является либо высокая стоимость оборудования и небольшие скорости осаждения покрытий как в случае ВЧ или СВЧ разрядов, плохая однородность наносимых покрытий, как при использовании дугового распыления, либо небольшие площади обрабатываемых поверхностей, как при лазерной абляции, либо низкая адгезия, как при термическом испарении [1]. Ниже рассмотрены различные методы нанесения тонкоплёночных покрытий на подложки большой площади. 1.1.1. Плазмохимическое газофазное осаждение (ПХГО) Химическое газофазное осаждение является процессом, в котором устойчивые твёрдые продукты реакции зарождаются и растут на подложке в среде с протекающими в ней химическими реакциями (диссоциация, восстановление и др.). В этом процессе используются различные источники энергии, такие, например, как плазма, ультрафиолетовое излучение и т.д. Процесс химического газофазного осаждения, активируемого плазмой (ПХГО), разработан относительно недавно (1974-1978 гг.), главным образом 9 для получения тонких плёнок, предназначенных для исследования в микроэлектронике, оптике и солнечной энергетике. В процессе ПХГО покрытие на подложке образуется в ходе химических реакций, активируемых электрическим разрядом в газовой фазе. Основное преимущество процесса ПХГО заключается в том, что используются относительно низкие температуры подложек (< 300ºС), достигаются лучшая покрывающая способность и адгезия, процесс лучше контролируется. Вместо тепловой энергии газы-реагенты активируются быстрыми электронами. Другим преимуществом процесса ПХГО является то, что часто достигаются более высокие скорости осаждения, чем в процессе обычного (термического) ХГО. И это предоставляет бóльшие возможности в выборе различных технологических параметров, хотя контролировать их оказывается сложнее. Однако осаждение чистых материалов этим методом фактически невозможно (за исключением полимеров), поскольку почти все недесорбируемые газы удерживаются покрытием. Это одно из основных ограничений, которое иногда превращается в преимущество, как, например в случае нанесения аморфного кремния, содержащего Н2. Другой недостаток – сильное взаимодействие плазмы с растущей плёнкой. Высокая скорость осаждения приводит к плохой контролируемости однородности и требует тщательной отладки реакционной установки. В процессе ПХГО могут быть выделены четыре стадии: 1) получение плазмы; 2) химическая диссоциация и разложение в результате столкновений с электронами; 3) транспортная реакция; 4) формирование покрытия на подложке. Метод ПХГО отличается от распыления тем, что используемые газы состоят из полиатомных молекул обычно с низкими потенциалами ионизации в отличие от, например, аргона при распылении. Применяются также более 10 высокие давления (10-100 Па), что обеспечивает бóльшую частоту столкновений и меньшую длину свободного пробега. Процесс ПХГО характеризуется разложением реагентов в разряде в таких условиях, в которых они обычно остаются стабильными и нереагирующими, например, при низкой температуре. Основной механизм разложения в плазме – диссоциация при столкновениях с быстрыми электронами. Ионизация и диссоциация приводят к тому, что скорости реакций в плазме значительно выше скоростей химических процессов в электрически нейтральной системе даже при высоких температурах. При нанесении покрытий методом ПХГО используются все модификации тлеющего, ВЧ и СВЧ разрядов. В работе [2] для нанесения толстых плёнок алмаза использовалась углеводородная плазма тлеющего разряда с импульсным током. Установка для нанесения покрытий с диодной системой электродов схематически изображена на рис. 2. Рис. 2. Экспериментальная установка для нанесения плёнок алмаза методом ПХГО 1 - держатель катода; 2 – катод; 3 – подложка; 4 – анод; 5 - источник питания постоянного тока; 6 - вакуумная камера; 7 – насос; 8 – газонапуск; 9- плазма. 11 В качестве катода использовалась круглая молибденовая пластина диаметром 13 см и толщиной 1,5 см, нагреваемая до 1000ºС. Вольфрамовая подложка диаметром 10 см располагалась на медном водоохлаждаемом аноде. Катод соединялся с источником питания, генерировавшим импульсы с длительностью 1500 мкс и временем между импульсами 15 мкс. Использование импульсного тока позволило решить проблему дугообразования. Напряжение и ток изменялись в пределах от 850 до 950 В и от 35 до 50 А, соответственно. Источником газа являлась смесь метана с водородом, напускаемая со скоростью 200 мл/мин. Рабочие давления лежат в пределах от 13·103 до 26·103 Па (100-200 Торр). К одной из разновидностей тлеющего разряда относится разряд с полым катодом. Его достоинством является увеличение плотности плазмы в 100-1000 раз за счёт перекрытия зон отрицательного свечения противоположных частей катода. Наиболее простыми формами полого катода являются цилиндрическая трубка или две прямоугольные параллельные пластины. Последняя конструкция наиболее проста для масштабирования и получила большое распространение, в частности, она применялась в работе [3]. Схема используемого источника плазмы показана на рис. 3. Для того чтобы отделить реактивный газ от катода, использовался постоянный поток инертного газа через полый катод. Реактивный газ активировался энергетичными электронами из плазмы. Оптимальное рабочее давление данного источника плазмы составляло 100 Па. Первые эксперименты были проведены с источником плазмы, имеющим высоту 6 см и ширину 4 см (длина катода всегда равнялась 10 см). Затем, высота и ширина катода были уменьшены в 4 раза для того чтобы увеличить плотность плазмы и уменьшить количество распылённого материала катода на подложке. Расход аргона и мощность также были уменьшены в 4 раза. 12 По сравнению с первым источником скорость нанесения и однородность плёнки не изменились. Это объясняется тем, что произошло увеличение в 4 раза плотности плазмы в полом катоде. Рис. 3. Источник плазмы с полым катодом Большинство экспериментов по нанесению гидрогенизированных углеродных (а-С:Н) плёнок было проведено со второй конструкцией плазменного источника. В качестве газа-реагента использовался этан. Параметры процесса нанесения плёнок представлены в таблице 1. Было обнаружено, что скорость нанесения плёнки повышается с увеличением мощности разряда и расхода этана. 13 Таблица 1. Параметры нанесения а-С:Н пленок с помощью тлеющего разряда с полым катодом Рабочее давление 80Па Расход аргона 500 мл/мин Расход этана 25 мл/мин Мощность 0,7 кВт (DC) Напряжение смещения подложки – 400 В (DC) Расстояние до подложки 80 мм Скорость нанесения плёнки (в центре) 12 мкм/ч Температура подложки 200ºC Реализовать нанесение покрытий на подложки большой площади можно за счёт увеличения длины линейного полого катода в комбинации со сканированием подложки. Однако, для повышения производительности или нанесения покрытий на стационарные подложки желательно двухмерное увеличение площади нанесения покрытий. Поскольку ширина полого катода коррелирует с длиной свободного пробега электронов и ионов, то она ограничена диапазоном нескольких сантиметров. Решением этой проблемы авторы считают создание мультикатодного плазменного источника. Разработанный источник, состоящий из пяти параллельно расположенных плоских полых катодов, имеет поперечное сечение размером (10х10) см и позволяет получать достаточно однородное покрытие на площади 160 см2. Хотя следует отметить, что в разряде с полым катодом невозможно достичь очень высоких степеней однородности. В работе [4] для нанесения тонких плёнок использовалась линейно протяжённая плазма, возбуждаемая СВЧ излучением. Экспериментальная установка схематически представлена на рис. 4. 14 Рис. 4. Схематическое изображение источника СВЧ плазмы 1 – вакуумная камера; 2 – система откачки; 3 – вакуумметр; 4 – расходомер; 5 – распределитель газа; 6 – подложки; 7 – кварцевая трубка; 8 – медный стержень; 9 – магнетрон; 10 – коаксиальный волновод. Источник плазмы был установлен в цилиндрической вакуумной камере 1 диаметром 800 мм. Система вакуумной откачки 2 позволяла работать в диапазоне давлений от 5 до 500 Па. Газ в вакуумную камеру подавался через распределительную систему 5, обеспечивающую его равномерное распространение по объёму камеры. Два коаксиальных параллельных волновода располагались на расстоянии 90 мм друг от друга. Они представляли собой кварцевые трубки 7 с расположенными внутри них медными стержнями 8. СВЧ излучение генерировалось двумя магнетронами 9 с частотой 2,45 ГГц и мощностью 1,2 кВт, связанными друг с другом через коаксиальную линию 10. Микроволны распространялись в основном вдоль медного стержня и кварцевой трубки, заполненной воздухом при атмосферном давлении. При увеличении СВЧ мощности, плазма, возникающая на концах кварцевой трубки, постепенно распространялась к её центру, до тех пор, пока вся поверхность 15 трубки не покрывалась плазмой. Рекомбинация частиц на поверхности кварцевой трубки приводила к её нагреву, поэтому применялось охлаждение трубки потоком воздуха, пропускаемым внутри неё. Пригодность данного источника плазмы для технологических применений демонстрировалась нанесением кварцеподобных плёнок из смеси гексаметилдисилоксана с кислородом. В данном случае однородность толщины наносимых плёнок достигается, главным образом, за счёт использования распределённого газонапуска. 1.1.2. Физическое газофазное осаждение (ФГО) Термин «физическое газофазное осаждение» описывает два основных способа нанесения покрытий: испарение и распыление. Первоначально метод ФГО применялся лишь для нанесения чистых металлов путём переноса их паров в вакууме без какого-либо участия химических реакций. Однако в настоящее время развитие данной технологии привело к исключительной гибкости процесса и обеспечило возможность нанесения широкой гаммы материалов. В общем случае и источник паровой фазы, и подложка, на которую наносится материал, находятся в вакуумной камере. Возможные вариации рабочей атмосферы камеры, методов получения паровой фазы, а также потенциала смещения на подложке приводят к большому разнообразию методик нанесения покрытий и широкому спектру их свойств и структуры. Процесс осаждения покрытий протекает, как правило, в несколько стадий: 1. Переход материала из твёрдой фазы в паровую. 2. Перенос паров от источника к подложке. 3. Конденсация паров на подложке, приводящая к зарождению и росту плёнки. Каждая из этих стадий нанесения покрытий может контролироваться независимо от остальных, что является большим преимуществом метода ФГО 16 над методом химического газофазного осаждения покрытий. Следует отметить, что вакуумное испарение обеспечивает гораздо более высокую скорость процесса, чем вакуумное распыление, однако состав покрытия и скорость его осаждения легче контролировать при распылении. Для улучшения адгезии структуры покрытия может применяться активация поверхности подложки с помощью плазмы. Ион с энергией 100 эВ обладает кинетической энергией, эквивалентной температуре 106 °С, и при осаждении таких ионов образуются покрытия с необычными свойствами, такие как твёрдые углеродные покрытия с алмазоподобной структурой. Метод ФГО обладает и другими преимуществами. 1.Исключительное разнообразие составов осаждаемого материала. Может наноситься практически любой металл, сплав, тугоплавкое соединение, некоторые типы полимеров и их смеси. 2. Возможность изменения температуры подложки в широких пределах. 3.Возможность наносить покрытия, не искажающие формы детали при высокой скорости осаждения. 4. Высокая чистота наносимого материала. 5. Хорошая связь покрытия с подложкой. 6. Превосходное качество поверхности покрытия, сравнимое с качеством исходной поверхности подложки. 1.1.2.1. Методы, реализующие процесс испарения Метод генерации потока осаждаемого материала термическим испарением заключается в нагреве исходных материалов с помощью какоголибо источника энергии до температуры испарения. В результате испарения или сублимации вещества переходят в паровую фазу. Энергия атомов определяется температурой испарителя и составляет 0,1-0,3 эВ. Движущей силой переноса частиц является различие давлений насыщенных паров над поверхностью испарения и вблизи поверхности конденсации. С повышением температуры нагрева испарение интенсифицируется. 17 Практически во всех вариантах реализации процесса испарения камера, в которую помещаются обрабатываемые детали, откачивается до примерно 10-3 Па и лишь затем в неё вводится любой нужный газ при давлении от 0,1 до 10 Па. Способы испарения классифицируются по виду испарителя, используемому для перевода твёрдого или жидкого испаряемого материала в паровую фазу. Испарители с резистивным нагревом Нагрев резистивным способом обеспечивается за счёт тепла, выделяемого при прохождении электрического тока непосредственно через напыляемый материал или через испаритель, в котором он помещается. Конструктивно резистивные испарители подразделяются на проволочные, ленточные и тигельные. Для испарения больших количеств материала используются тигельные испарители, изготовленные из тугоплавких металлов, керамических материалов и графита. Для получения плёнок заданной толщины следует либо загружать в нагреватель строго фиксированную навеску испаряемого материала и проводить процесс до её полного испарения, либо непрерывно контролировать скорость испарения или толщину осаждаемой плёнки, а возможно, и то и другое одновременно. Способ применяется при испарении материалов, температура нагрева которых не превышает 1500 °С. Скорость осаждения покрытий данным способом доходит до 12 мкм/мин. Однако равномерность толщины этих покрытий невелика. Испарители с нагревом излучением В таких испарителях химически активные испаряемые материалы помещаются в оксидные тигли, вокруг которых намотан проволочный спиральный нагреватель. Нагрев тигля происходит тепловым излучением проволочного нагревателя. 18 Испарители с индукционным нагревом Оксидные или нитридоборидные тигли могут нагреваться индукционным методом. Применение водоохлаждаемых проволочных спиралей с соответствующим образом подобранным числом витков и подводимой мощностью позволяет регулировать размеры зоны высокочастотного нагрева и температуру в ней. Испарители с электронно-лучевым нагревом В таких испарителях электронный пучок из электронной пушки направляется на испаряемый материал, который обычно помещается в водоохлаждаемый тигель. Это исключает проблему загрязнения осаждаемого материала элементами, входящими в состав материала тигля. Оборудование для нанесения покрытий с помощью электронно-лучевого нагрева схематически показано на рис. 5. Преимущество нагрева электронным пучком заключается в очень высокой плотности мощности, подводимой к материалу, и в возможности управления скоростью испарения при изменении этой мощности. Использование электронно-лучевого метода было реализовано в промышленном масштабе для нанесения плёнок оксида индия, допированного оловом, на широкоформатные подложки со скоростью 1,2 мкм/мин. Ограничением данного метода является равномерность толщины получаемых плёнок, равная ± 5-10 %. К недостатку этого метода можно отнести и низкий энергетический КПД, поскольку непосредственно на процесс испарения расходуется от 1 до 5 % подводимой энергии. 19 Рис. 5. Принципиальная схема применения электронно-лучевого нагрева 1 – прикатодный, формирующий электрод; 2 – термоэлектродный катод; 3 – анод; 4 – поток электронов; 5 – система магнитной фокусировки; 6 – водоохлаждаемый тигель; 7 – поток пара; – заслонка; очень хорошим 8 9 – подложкодержатель; 10 – система откачки. Электродуговые испарители. Сильноточный электрический разряд является источником нагрева для испарения материала. Катодная дуга представляет собой сильноточный низковольтный разряд, в котором значительная часть проводящей среды состоит из ионизированного материала катода, образующегося в областях, известных под названием "катодные пятна". Катодные пятна имеют вид интенсивно светящихся областей на поверхности катода, которые отличаются высокой плотностью проходящего через них тока. Осаждение из катодно-точечной дуги происходит вследствие образования в небольших областях вблизи поверхности катода металлической плазмы и формирования ускоренного потока полностью ионизированной плазмы, направленного в сторону от катода. Изменением апертурной геометрии и 20 коллимированием дуги можно управлять её пространственным распределением. Попытки установить контроль над беспорядочным движением катодного пятна привели к созданию методики управляемого электродугового испарения. Было установлено, что метод катодно-дугового испарения позволяет получать пленки TiO2 и TiN прекрасного качества с точки зрения их структуры и адгезии. Для фокусировки плазменных потоков, увеличения скорости осаждения, ускорения ионов и изменения свойств плёнок применяют наложение магнитного поля. Примером использования дугового разряда для нанесения алмазоподобных покрытий является работа [5], где максимальная скорость осаждения покрытий составила 4 мкм/мин. Параметры процесса нанесения приведены в таблице 2. Таблица 2. Параметры процесса нанесения алмазоподобных покрытий электродуговым методом Расход аргона, л/мин 27,5–29,6 Расход водорода, л/мин 5,6 Расход метана, л/мин 0,15 Ток дуги, А 75–90 Напряжение разряда, В 90–110 Мощность, кВт 8,1–8,4 Давление, кПа 20–21 Преимуществами нанесения плёнок вакуумным электродуговым методом являются: возможность регулирования скорости нанесения покрытия путём изменения силы тока дуги; 21 возможность управлять составом покрытия, используя одновременно несколько катодов или один многокомпонентный катод; высокая адгезия покрытий; возможность получения тонких плёнок металлов, вводя в камеру реакционный газ. Несмотря на превосходные качества покрытий, получаемых электродуговым методом, однородное нанесение их на подложки большой площади затруднено. Лазерно-лучевые испарители Для нагрева и испарения материала может использоваться лазерный луч с достаточной интенсивностью. Достоинства его использования не ограничиваются простотой вакуумного оборудования и относительно низкой стоимостью. Лазерный луч прост в управлении и контроле. Диапазон рабочих давлений, в котором он используется, является самым широким, если сравнивать с другими методами осаждения покрытий. С использованием лазерного луча легко можно получать покрытия в атмосфере активных газов, многослойные и стехиометричные покрытия. Однако диаметр области нанесения покрытий с равномерностью толщины 3 % в этом методе не превышает 100 мм. Главными недостатками лазерно-лучевого нагрева являются наличие в испарённом материале частиц микронного размера и трудность масштабирования процесса на подложки большой площади. В литературе [6] описано получение плёнок оксида кремния методом импульсного лазерно-лучевого испарения кремниевой мишени в атмосфере кислорода. Показано, что скорость нанесения плёнки возрастает с увеличением мощности лазерного луча и частоты следования импульсов и уменьшается с 22 увеличением давления кислорода и температуры подложки. Максимальная скорость нанесения составила 4,2 нм/мин. Таким образом, можно сделать вывод, что независимо от вида испарителя, метод термического испарения характеризуется простотой и высокими скоростями осаждения, но при этом не обеспечивает высокой степени равномерности покрытий на подложках большой площади. 1.1.2.2. Методы, реализующие процесс распыления Распыление – это процесс передачи импульса, в котором быстрая частица, например ион аргона Аr+, выбивает атом с поверхности (как правило) катода. Эффективность процесса характеризуется коэффициентом распыления – числом выбитых атомов на каждый падающий ион. Распылённым атомам передаётся порядка 1% энергии бомбардирующей частицы, тогда как около 75% энергии расходуется на нагрев мишени (катода). Характер взаимодействия бомбардирующих ионов с поверхностью твёрдого тела определяется их энергией. При энергиях, меньших 5 эВ, взаимодействие ограничивается физически и химически адсорбированными слоями, вызывая их десорбцию и обуславливая протекание различных химических реакций. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов в кристаллической решётке, бомбардировка вызывает разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в паровую фазу (распыление). Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ. При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5-10 кэВ выходит на насыщение. Дальнейшее повышение кинетической энергии свыше 100 кэВ приводит к снижению распыления, вызванному радиационными эффектами и внедрениями ионов в кристаллическую решетку. Энергия распылённых атомов 23 значительно превышает кинетическую энергию испарённых атомов и составляет 0,1-100эВ. Распыление сопровождается эмиссией вторичных электронов, которые ускоряются в электрическом поле, вызывая дополнительную ионизацию. Коэффициент распыления определяется энергией и направлением падения ионов, природой взаимодействующих материалов, кристаллографической структурой и атомным строением бомбардируемой поверхности. Влияние температурных условий незначительно. Распыление металлов в твёрдом и расплавленном состояниях практически не различается. Исключение составляет область температур, при которых переход атомов в паровую фазу путём испарения становится существенным и превышает распыление. Для получения воспроизводимых по качеству покрытий методом распыления необходимо контролировать многие параметры, такие, как геометрия системы, начальный вакуум, расстояние до подложки, предварительная подготовка материалов, чистота газа, скорость его натекания, напряжение и ток, температура подложки, скорость осаждения. Распыление ионным пучком В данном методе для распыления используется пучок ионов с энергией 500-1000 эВ, испускаемый автономным ионным источником. Распыляемая мишень располагается под углом относительно ионного пучка. В литературе [7] для распыления мишени из хрома диаметром 5 см использовался ионный источник Кауфмана диаметром 3 см. Нанесение производилось на кремниевые подложки, нагретые до температуры 600°С, в атмосфере аргона при давлении 15 Па. При энергии ионов порядка 1000 эВ плотность ионного тока равнялась 2 мА/см2. Скорость нанесения плёнки хрома составляла 20 нм/мин. 24 Достоинством метода распыления ионным пучком является возможность осуществлять независимый контроль энергии и плотности тока бомбардирующих ионов. К недостаткам можно отнести невысокую скорость осаждения покрытий и сложность нанесения их на подложки большой площади. Планарное диодное распыление Диодная установка для напыления состоит из двух плоских электродов, расположенных параллельно и отстоящих друг от друга на расстоянии 5-15 см. Катод изготавливают из напыляемого материала. Он соединён с отрицательным полюсом высоковольтного выпрямителя. Анод, он же и подложкодержатель, обычно находится под потенциалом земли. Камера предварительно вакуумируется до 10-3 Па и на катод подаётся потенциал 3-5 кВ. При определённом напряжении в аргоне возбуждается тлеющий разряд постоянного тока. Положительные ионы, ускоренные в прикатодной области, бомбардируют и распыляют поверхность катода. Поток распылённых атомов осаждается на подложке в виде тонких плёнок. Незначительные скорости осаждения (10 нм/мин), обусловленные низкой плотностью ионного тока на катоде, и невысокий вакуум (2-130 Па) ограничивают применение метода. Кроме того, эмитированные катодом и ускоренные в электрическом поле (2-5 кэВ) электроны интенсивно бомбардируют анод и размещённые на нём подложки, вызывая их перегрев и радиационные дефекты в структуре. Триодное распыление В данном методе в дополнение к обычной схеме диодного распыления для усиления ионизации газа вводится накальная нить и пластина, находящаяся под положительным потенциалом 100 В. Это позволяет получить ионный ток в несколько ампер. 25 Скорость распыления ограничивается охлаждением мишени. Снижение давления газа до 10-1 Па (средняя длина свободного пробега частиц 5 см) уменьшает обратное рассеяние. Магнетронное распыление В магнетронных распылительных системах распыление материала происходит за счёт бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа, образующимися в плазме аномального тлеющего разряда. Электроны, эмитируемые из мишени под действием бомбардировки, захватываются магнитным полем и совершают сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям в скрещенных электрическом и магнитном полях (рис. 6). Рис. 6. Схема магнетронной распылительной системы с плоским катодом 1 – катод-мишень; 2 – магнитная система; 3 – источник питания; 4 – анод; 5 – траектория движения электронов; 6 – зона распыления; 7 – силовая линия магнитного поля. 26 За счёт локализации плазмы у поверхности катода достигается высокая плотность ионного тока (на два порядка выше, чем в обычных диодных системах) и большая удельная мощность, рассеиваемая на мишени. Увеличение скорости распыления с одновременным снижением рабочего давления позволяет значительно снизить загрязнения плёнок посторонними включениями. Локализация электронов вблизи мишени предотвращает бомбардировку ими подложек, что снижает температуру и радиационные дефекты в создаваемых структурах. Однако главными достоинствами магнетронных распылительных систем являются относительно высокие скорости осаждения и возможность получения равномерных по толщине плёнок на подложках большой площади. Рабочие параметры магнетронных распылительных систем приведены в таблице 3. Таблица 3. Параметры процесса нанесения покрытий методом магнетронного распыления 10-2–1 Давление, Па Рабочее напряжение, В 300–700 Удельная мощность, Вт/см2 ≈100 Плотность ионного тока, мА/см2 200 до 3600 Скорость осаждения, нм/мин Коэффициент использования материала мишени, % Однородность толщины нанесённой плёнки, % Размеры подложек, м до 80 ±1,2 и менее до 3,2х6 Магнетронные распылительные системы можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида мишени (планарные, цилиндрические, конические), степени ионного воздействия на подложку (сбалансированные и 27 несбалансированные), магнитной системы (стационарной или перемещаемой) и источника питания (постоянным, импульсным, переменным или высокочастотным током). Из всех видов процесса распыления магнетронное получило наибольшее распространение. Несмотря на прогресс, который был достигнут в развитии магнетронных распылительных систем за время, прошедшее со времени их изобретения, до сих пор существует ряд проблем, которые необходимо решать для повышения эффективности этого оборудования и снижения стоимости продуктов, получаемых в результате его использования [1]. 1.2. Магнетронные распылительные системы 1.2.1. Цилиндрические коаксиальные магнетронные системы Первоначально для распыления различных материалов в основном использовались цилиндрические коаксиальные магнетронные распылительные системы (МРС) нормального и инверсного типа [8]. На рис. 7 приведены схематические конструкции таких систем. Магнитное поле создаётся в них либо за счёт внешнего соленоида и заполняет всё пространство между электродами и подложкой, либо постоянными магнитами, которые создают локализованное дугообразное поле. В первом случае (рис. 7 а, б) величина магнитного поля создаётся такой, что она достаточна для замагничивания электронов, но мала для замагничивания ионов. При зажигании газового разряда формируется плазменная область, которая представляет собой плазму отрицательного свечения тлеющего разряда. Процессы ионизации, возбуждения, свечения газа происходят в основном в этой области за счёт столкновения вторичных катодных электронов с молекулами газа. 28 Рис. 7. Цилиндрические коаксиальные МРС 1 – катод-мишень; 2 – анод; 3 – подложка; 4 – соленоид; 5 – постоянные магниты. Распыляют материал катода (мишени) и инициируют вторичную эмиссию электронов, которые необходимы для поддержания разряда, ионы, идущие из плазмы на катод. Катодные вторичные электроны также ускоряются полем прикатодного слоя, но благодаря закручивающему действию на них магнитного поля предотвращается бомбардировка ими подложки, а также уход их на анод по короткому пути. В магнетронном разряде, за счёт того, что электроны в скрещенных полях движутся по траекториям типа циклоиды, можно получить высокую плотность тока при низком давлении рабочего газа и высокую скорость распыления материала мишени. Основной проблемой данного типа МРС является уход электронов вдоль силовых линий магнитного поля на торцы электродной системы. Это приводит 29 к неравномерному распылению мишени. Для предотвращения этого эффекта используют различные методы, например, снабжают катод торцевыми отражателями в виде дисков и плоских колец, которые способствуют осцилляции электронов в плазме разряда вдоль силовых линий магнитного поля и дополнительному увеличению траектории в межэлектродном промежутке. Для повышения равномерности распыления катода применяются длинные соленоиды с однородным магнитным полем, а также специальные магнитопроводы [9]. Всё это увеличивает массу, размеры и усложняет конструкцию установок, но не приводит к абсолютной равномерности распыления из-за ухода ионов на торцы системы и к снижению их концентрации на краях МРС. Для устранения недостатков, присущих МРС с внешними соленоидами, рассмотренными выше, вместо соленоидов применялись постоянные магниты (рис. 7 в, г), что значительно упростило конструкцию МРС. Постоянные магниты создают локализованное около катода поле с дугообразными силовыми линиями. Плазма при этом локализуется около катода в области «магнитных туннелей», где напряжённость поля максимальна. Туннельная форма магнитного поля препятствует уходу электронов на торцы МРС. Такие системы обеспечивает достаточно высокую однородность напыляемых плёнок по толщине, хотя имеет место некоторая неравномерность распыления катода. 1.2.2. Магнетронные системы с плоским катодом Дальнейшее развитие МРС связано с переходом к системам с плоскими и коническими катодами. Первые попытки получить МРС с плоским катодом были предприняты для техники распыления в аномальном тлеющем разряде, когда создавали поперечное магнитное поле с прямыми силовыми линиями. Существенным недостатком такой системы является то, что азимутальная неоднородность магнитного поля и незамкнутость поперечного дрейфа 30 заряженных частиц, которые уходили на края электродов, затрудняло поддержание разряда при низких давлениях и делало его неравномерным. Для повышения эффективности таких систем на плоскопараллельный промежуток накладывалось осесимметричное квадрупольное магнитное поле, имеющее радиальную составляющую. Оно создавало условие для азимутального дрейфа электронов вдоль поверхности электродов. В работе [10] повысили эффективность генерации радиального магнитного поля, поместив катушки за плоскими электродами. Все эти методы делают конструкции МРС громоздкими и в промышленной технологии они не применяются. 1.2.3. МРС со сбалансированным магнитным полем Дальнейшее развитие [11] МРС привело к созданию конструкций, в которых, для повышения эффективности, магнитная система имела магнитопровод, благодаря которому силовые линии магнитного поля имели замкнутую арочную форму. В таком магнитном поле поддерживался магнетронный разряд с замкнутым азимутальным дрейфом электронов. В последующем катушки были заменены постоянными магнитами, что упростило систему МРС. МРС с такой системой создания магнитного поля (рис. 8 а), в которых силовые линии дважды пересекают катод-мишень, выходя из одного полюса и входя в другой, проходя только вблизи поверхности катода и не рассеиваясь в стороны, были названы сбалансированными. В таких МРС плазменная область разряда прижата к поверхности катода (высота не превышает 3-6 см). При размещении подложки вне этой зоны, чтобы не затруднять поддержание разряда, до неё доходит мало заряженных частиц, в основном распылённые атомы мишени, из которых и образуется плёнка. 31 Рис. 8. МРС с плоской мишенью и различными конфигурациями магнитного поля а – сбалансированная магнитная система; б – несбалансированная с вертикальной составляющей поля, направленной к подложке; в – несбалансированная с рассеиванием магнитного поля в сторону от подложки. Плотность тока ионов, главным образом Ar+, идущих к подложке, ниже 1 мА/см2. Этого недостаточно для ионной очистки поверхности и существенного воздействия на рост плёнок при напряжении смещения (Uсм) до –100 В. При бóльших Uсм появляются дефекты в кристаллической структуре, возрастают внутренние напряжения в плёнке и концентрация поглощённого Ar. Поэтому МРС со сбалансированным полем получили широкое применение в технологиях нанесения покрытий, где необходимы щадящие условия для изделий. 1.2.4. МРС с несбалансированным магнитным полем Нанесение покрытий с повышенной твёрдостью и износоустойчивостью на плоские подложки, а также на другие изделия (свёрла, хирургический инструмент и т.д.) требует максимального приближения подложки к плазменной области, либо повышения плотности ионного тока на подложку. 32 Кардинально повысить плотность ионного тока на подложку до величины более чем 1-2 мА/см2 можно в МРС с объёмным магнитным полем, как было предложено в работах [12-14]. Были созданы магнетроны с несбалансированным магнитным полем, часть силовых линий которого направлена в сторону подложки – "несбалансированные магнетронные системы". 1.2.4.1. Несбалансированные МРС с вертикальной составляющей магнитного поля, направленной к подложке (1-й тип несбалансированной конфигурации магнитного поля) В МРС данного типа магнитное поле создаётся не только у поверхности мишени, но и в пространстве между мишенью и подложкой, что позволяет повысить плотность ионного тока и управлять свойствами осаждаемых покрытий с помощью ионной бомбардировки. Конфигурация поля такого типа показана на рис. 8 б, где внешний полюс системы создаёт больший магнитный поток, чем внутренний, и магнитный поток от внешнего полюса лишь частично замыкается через внутренний полюс. В этой системе генерируются боковые вертикальные силовые линии, идущие к подложке, что позволяет увеличить поток заряженных частиц и плазмы в целом на неё. Аналогичное поле можно создать и в сбалансированной МРС, если вокруг неё расположить дополнительную катушку, направление магнитного потока которой совпадает с направлением потока от внешнего полюса магнита. В несбалансированных МРС плазма газового разряда свободно движется вдоль силовых линий магнитного поля к подложке, что приводит к повышенной концентрации заряженных частиц около неё. Этому также способствует и ионизация газа в пространстве между мишенью и подложкой. В результате этих процессов плотность ионного тока на подложку может достигать 2-10 мА/см2 даже без приложения внешнего напряжения смещения. 33 Однако у рассмотренных несбалансированных МРС есть существенный недостаток, связанный с тем, что распределение концентрации заряженных частиц около поверхности подложки определяется распределением магнитного поля и может быть неоднородным. Это обстоятельство сказывается на равномерности наносимого покрытия. Для повышения однородности объёмной плазмы в работе [15] было предложено применить многополюсную магнитную систему, сильное магнитное поле в которой создаётся только около стенок камеры, внутри же камеры и около подложки поле слабое. МРС с такой магнитной системой представлена на рис. 9. Генератором плазмы в системе служит магнетрон, а камера окружена дополнительными магнитами. Поле, создаваемое дополнительной магнитной системой, препятствует диффузии плазмы к стенкам и действует в качестве магнитной ловушки для частиц плазмы, но не мешает выравниванию концентрации заряженных частиц внутри промежутка. Рис. 9. МРС с магнитной изоляцией стенок вакуумной камеры Эксперимент показал, что плотность ионного тока на подложку составлял более 2 мА/см2 даже при Uсм = –60 В. В данных системах подложки могут быть 34 удалены от мишени на расстояние до 20 см без ослабления ионного тока, при этом неоднородность плазмы составляет порядка 10% при давлении Ar 0,5 Па. Рассмотренные выше типы несбалансированных МРС и свойства покрытий, наносимых с их помощью, позволяют реализовать процессы осаждения плёнок на большие поверхности и изделия сложной формы. В частности, были реализованы высококачественные покрытия из нитрида титана, оксидов алюминия, циркония, иттрия и т.д. 1.2.4.2. Несбалансированные МРС с рассеиванием магнитного поля в сторону от подложки (2-й тип несбалансированной конфигурации магнитного поля) Для получения сильнопористых структур с развитой поверхностью для химически активных плёнок, катализа, неотражающих покрытий и т.д. используется другой вариант несбалансированной магнитной системы, у которой внутренний полюс генерирует больший магнитный поток, чем внешний (рис.8 в). При таком способе создания магнитного поля некоторые силовые линии не замыкаются через катод на внешний полюс, а идут в сторону от подложки, к стенкам. Это затрудняет диффузию плазмы к подложке и сильно снижает концентрацию ионов около неё. Плотность тока на подложку в этом случае значительно меньше, чем 1 мА/см2. Ионное воздействие на растущую плёнку в данной МРС минимально. Кроме того, затрудняется зажигание и поддержание разряда при низких давлениях из-за ухода электронов к стенкам камеры. Для управления потоком заряженных частиц к подложке применяют так называемое «магнитное смещение». Позади подложки помещают дополнительную катушку или постоянный магнит, силовые линии которого совпадают с полем магнетрона и поток плазмы как бы фокусируется у подложки. При этом возрастает плавающий потенциал и ионный ток на 35 подложку. При противоположном направлении поля происходит расфокусировка плазмы, снижается плавающий потенциал и ионный поток. Таким образом, магнитное смещение позволяет управлять процессом напыления, не меняя режима работы магнетрона. В работе [16] магнитное смещение использовалось в МРС с двумя несбалансированными магнетронами, которые имели противоположную полярность магнитных систем. Они располагались над подложкой, под которой находилась дополнительная катушка. Меняя направление тока катушки, можно было регулировать интенсивность ионной бомбардировки для каждого магнетрона и получать многослойную структуру покрытия. Плотность ионного тока на подложку достигала 6 мА/см2, а отношение потока ионов к потоку осаждающихся атомов ~ 20. 1.2.5. Несбалансированные МРС с двумя магнетронами Описанные выше МРС с несбалансированными магнетронами имеют одну мишень, что приводит к пространственной неоднородности потока распылённого материала. Для повышения однородности применяют МРС с двумя и более мишенями или магнетронами. Наибольшее распространение получили системы с двумя магнетронами, как наиболее простые. Магнетроны могут работать как независимые модули, так и взаимосвязано. В работе [17] два магнетрона, расположенных рядом или напротив друг друга, имеют связь по питанию. На них подавалось знакопеременное напряжение, при котором каждый из магнетронов выполняет поочередно роль катода и анода, но магнитные поля этих магнетронов независимы. Возможны две конфигурации таких МРС: 1) Зеркальная, когда полярность магнитов в магнетронах одинакова и силовые линии бокового поля направлены к стенкам (рис. 10. а). Это приводит 36 к уходу на них заряженных частиц и снижению плотности плазмы в центре системы. 2) Замкнутая конфигурация, когда полярность магнитов противоположна (рис. 10. б). В этом случае заряженные частицы плазмы удерживаются в системе. Это приводит к многократному повышению концентрации ионов вокруг подложки по сравнению с зеркальной системой и МРС с одиночным магнетроном. Рис. 10. МРС с двумя магнетронами и объёмным магнитным полем а – зеркальная конфигурация магнитного поля; б – замкнутая конфигурация магнитного поля. При сравнении параметров напыления в трёх системах (2 магнетрона с замкнутой конфигурацией магнитного поля, 2 магнетрона с зеркальной конфигурацией магнитных силовых линий, одиночный магнетрон с несбалансированным полем) видно, что они дают примерно одинаковую скорость осаждения пленки (~ 250 нм/мин), но система с замкнутой конфигурацией магнитного поля обеспечивает наибольшие плотности ионного тока и отношения потока ионов к потоку нейтральных атомов на подложку. Особенно заметна разница между данными типами МРС при увеличении расстояния между мишенью одного из магнетронов и подложкой. Таким образом, изменяя конфигурацию магнитного поля в камере и расстояние, можно регулировать степень ионного воздействия на подложку. 37 1.2.6. МРС с устройствами для дополнительной ионизации газа. Часто для получения плёнок высокой чистоты, без примеси газа, равномерного запыления глубоких канавок и отверстий с субмикронными размерами, необходимо обеспечить работу МРС при пониженном давлении рабочего газа. Также пониженное давление необходимо в тех случаях, когда надо использовать эффекты ионной бомбардировки при осаждении плёнок и покрытий, при этом надо увеличить концентрацию ионов в плазме около подложки, соответственно, повысить коэффициент ионизации газа и распылённого вещества. В этих случаях применяются дополнительные устройства для ионизации газа. Самый простой способ дополнительной ионизации заключается во введении вспомогательного накалённого катода, эмитирующего электроны в промежуток между мишенью и подложкой. Но поскольку накалённые катоды нельзя эксплуатировать в среде реакционных газов, а также из-за сильного нагрева подложек тепловым излучением накалённых катодов, более предпочтительно применять для ионизации газа ненакаливаемые элементы и, в первую очередь, ВЧ и СВЧ устройства. Наибольшее распространение получили ВЧ системы с индуктором (магнетронные системы с индукционной плазмой), охватывающим пространство между мишенью магнетрона и подложкой (рис. 11). Частота питания индуктора составляет единицы-десятки мегагерц. В системах данного типа достигнута высокая степень ионизации газовых и распылённых частиц, и существенно снижено рабочее давление плазмообразующего газа. В МРС с индукционным ионизатором используют как немодулированное ВЧ, так и импульсное или низкочастотное напряжение на мишень магнетрона и подложку. 38 Рис. 11. МРС с дополнительной ВЧ ионизацией Применение импульсной модуляции позволяет снизить тепловую нагрузку на подложку, повысить равномерность распределения газа в системе, поднять электронную температуру в плазме индукционного разряда и увеличить ионный ток на подложку. СВЧ разряд с электронным циклотронным резонансом может существовать при весьма низких давлениях (< 0,1 Па), поэтому он также используется для дополнительной ионизации газов МРС. 1.2.7. МРС с импульсным питанием Для получения тонких плёнок и покрытий сложного состава с использованием простых исходных веществ применяются технологии распыления в среде реакционных газов. В последнее время для этих целей обычно используются импульсные магнетронные разряды. Импульсные режимы питания магнетронов позволяют снизить тепловые нагрузки на подложку и мишень за счёт увеличения скважности импульсов, а также наносить многокомпонентные покрытия путём поочередного распыления нескольких мишеней, в результате чего получаются покрытия практически однородного состава. 39 Кроме того, в импульсном режиме можно увеличить плотность разрядного тока и повысить степень ионизации распылённого вещества до 40% и выше. При использовании МРС с импульсным питанием применяются в основном три схемы использования магнетронов: одиночный; двойные или спаренные магнетроны, расположенные рядом и параллельно на одной стороне технологической камеры; несколько магнетронов, расположенных на разных сторонах технологической камеры, напротив друг друга. 1.2.7.1. МРС с биполярным питанием В середине 90-х были предложены методы биполярного импульсного магнетронного осаждения плёнок и среднечастотного магнетронного осаждения плёнок на переменном токе в реактивном режиме. Оба метода используют изменение знака напряжения на катоде, компенсируя рост заряда на поверхности мишени. Схематическое изображение биполярного импульсного питания показано на рис. 12. Рис. 12. Схематическое изображение биполярного импульсного питания При биполярном импульсном питании полярность напряжения на катоде меняется с отрицательной на положительную. Во время отрицательного 40 импульса ионы рабочего газа бомбардируют мишень, выбивая с её поверхности атомы материала, а во время положительного импульса электроны извлекаются из плазмы, разряжая все заряженные области мишени. Величина и длительность отрицательного импульса больше, чем положительного импульса. Этот способ питания чаще всего используется для реактивного магнетронного распыления. Частота импульсов обычно находится в диапазоне 40-100 кГц, но может достигать 350 кГц. Помимо коэффициент частоты, вторым заполнения, самым который важным определяется параметром как является длительность отрицательного импульса, разделённая на период. Показано, что если коэффициент заполнения составляет менее 65-70%, то дугообразования не происходит даже при длительной работе в реактивном режиме [18]. Одним магнетронного из недостатков распыления биполярного является то, импульсного что при реактивного длительной работе непроводящая плёнка может закрыть всю поверхность вакуумной камеры (анода). Электроны из плазмы не уходят на анод (нет замкнутого контура электрической цепи), происходит увеличение катодного напряжения, и разряд в конечном итоге гаснет. Этот эффект известен как «исчезающий анод». Для предотвращения потери анода его обычно защищают или скрывают (используют экраны, щетки и т.д.). 1.2.7.2. Дуальное магнетронное распыление При дуальном магнетронном распылении два одинаковых электрически изолированных друг от друга магнетрона питаются среднечастотным переменным током как показано на рис. 13. Один из выводов источника питания подключен к одному магнетрону, а второй вывод – к другому магнетрону. В такой ситуации одну половину периода один магнетрон работает катодом, а другой – анодом. В другую половину периода – наоборот. Мишень магнетрона, работающего в данную половину периода катодом, избавляется в это время от излишнего диэлектрика. 41 Рис. 13. Схематическое изображение дуальной МРС Таким образом, поверхности мишеней поочерёдно очищаются, что не даёт вырасти там толстому сплошному слою диэлектрика, и это позволяет предотвратить «исчезновение анода». Дуальное магнетронное распыление широко используется промышленностью для нанесения покрытий в тех случаях, где требуется устойчивый режим работы в течение длительного времени. Обычно частота переменного тока составляет 40 кГц, но в некоторых случаях она изменяется от 40 до 80 кГц. Необходимо заметить, что система дуального магнетронного распыления также не лишена недостатков, к которым можно отнести необходимость наличия двух магнетронов и то, что работе мишеней в качестве анодов мешает окружающее их магнитное поле. Оно препятствует движению электронов и увеличивает анодное падение потенциала, что, в свою очередь, снижает скорость распыления [8]. 42 1.3. Сущность модернизации Выше были рассмотрены вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий во всём своём многообразии и различные варианты реализации магнетронных распылительных систем. После рассмотрения методов нанесения покрытий можно сделать вывод о том, что для решения поставленной задачи – нанесения равномерного антидеструкционного покрытия на изделия большой площади – наиболее подходящим является нанесение покрытий методом магнетронного распыления. Из всех возможных вариантов реализации магнетронных распылительных систем наилучшую равномерность покрытия при высокой скорости его нанесения обеспечивает способ дуального магнетронного распыления. По этой причине именно способ дуального магнетронного распыления и будет реализовываться в модернизируемой установке. Кроме разработки собственно дуальной магнетронной системы, необходимо обеспечить откачку вакуумной камеры до нужного давления, подачу в камеру рабочего газа, обеспечить вращение обрабатываемого изделия и возможность ионной очистки его поверхности перед нанесением покрытия. Таким образом, модернизация установки включает в себя следующие аспекты: разработка системы дуального магнетронного распыления; модернизация откачной системы; разработка системы газонапуска; разработка аксиального установочного устройства; обеспечение возможности проведения ионной очистки поверхности. 43 2. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 2.1. Общие сведения об установке вакуумной металлизации типа УВМ-1200 Установка вакуумной металлизации УВМ-1200 разработана в 1970 г. в Научно - исследовательском институте технологии машиностроения (в настоящее время – Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение "Техномаш"»). Ведущий конструктор - Петров Александр Васильевич. Установка была представлена на выставке ВДНХ и удостоена золотой медали. Рис.14. Установка УВМ-1200 на выставке ВДНХ Установка предназначалась для нанесения на изделия различных металлов способом резистивного испарения. 44 Основные технические характеристики (по состоянию на 1970 г.) Габариты установки: длина: 5500 мм; ширина: 4500 мм; высота: 2750 мм; Внутренние размеры вакуумной камеры: диаметр: 1200 мм; длина: 2000 мм; объём: 2,3 м3. Остаточное давление в камере: 6,67 · 10-3 Па. Время откачки: 50 мин. Скорость вращения центрального вала переменная: 4,5-45 об/мин. Установленная мощность: 63 кВт. Напряжение питающей сети: 3N; 380В. Расход охлаждающей воды: 3 м3/час. Полный вес установки: 9000 кг. Вакуумные насосы: 1) форвакуумный ВН-7; 2) бустерный БН-3; 3) высоковакуумный Н8-Т. Установка вакуумной металлизации выполнена в однокамерном исполнении. Процесс металлизации происходил в горизонтально расположенной цилиндрической камере при давлении 6,67 · 10-3 Па. 45 Управление процессом металлизации осуществлялось с пультов управления испарителями и подогревателями. Вакуумная камера установки вакуумной металлизации УВМ-1200 представляет собой цилиндрический водоохлаждаемый корпус, выполненный из нержавеющей стали. Торцы камеры закрыты цилиндрическими водоохлаждаемыми крышками, одна из которых навешена на петлях, другая – откатная. Навесная крышка имеет специальное смотровое устройство для наблюдения за технологическим процессом. Вторая крышка – откатная с механическим приводом, подвешена на специальную тележку. В центре крышки смонтирован механический привод вращения деталей с переменными оборотами. Вал введён через вакуумные уплотнители, имеет термопарные вводы. В верхней части камеры имеется опора для монтажа монорельса под специальную тележку для подвески крышки камеры. В камере предусмотрены два высоковольтных ввода с блокираторами и игольчатый натекатель. Вверху на камере установлен предохранительный клапан на случай резкого повышения давления в камере. На боковой стороне камеры имеется патрубок диаметром 500 мм для соединения с вакуумным затвором Ду-500 вакуумного агрегата ВА-8-4. Вдоль нижней части камеры имеется коробчатое углубление, в котором вмонтированы 8 охлаждаемых токоподводов. Камера установлена на станину, представляющую собой сварную конструкцию из стального профильного проката. Для подачи и слива охлаждающей воды в камеру в станине размещены водонапорный распределительный коллектор и сливной бак. Устройство отката рабочей крышки состоит из сварной колонны, служащей опорой для монорельса, по которому от ходового винта перемещается специальная тележка с подвешенной крышкой. Другой конец монорельса опирается на площадку верхней части камеры. 46 2.2. Разработка магнетронной распылительной системы Как уже было сказано выше, дуальная магнетронная система представляет собой совокупность двух планарных магнетронов и системы питания магнетронов. Система питания должна обеспечивать подачу положительного и отрицательного потенциала попеременно на оба магнетрона. То есть, в каждый момент времени один магнетрон является анодом, а другой – катодом. Каждый магнетрон состоит из магнитной системы, расположенной внутри корпуса, состоящего из платформы, боковых стенок, мишени и охладителя. Магнетрон находится внутри экрана, который крепится с помощью изоляторов. Магнитная система состоит из магнитов, располагающихся на магнитопроводе. Конфигурация магнитного поля в пространстве между мишенью и подложкой оптимизирована по критерию максимальной ионизационной способности электронов плазмы над поверхностью мишени, что позволяет при необходимости работать с повышенными значениями тока разряда. Каждый магнетрон имеет специальный трубопровод для прокачки через него воды в целях охлаждения. Вода подводится к магнетрону от фланца ввода посредством медных трубок, используемых одновременно и для подачи питания. При подключении к источнику питания корпус и мишень магнетрона соединяются с отрицательным выводом источника питания через трубопровод охлаждения, а положительный вывод источника питания подключается к корпусу установки и к "земле". Положительный вывод источника питания может подключаться к анодной системе. На магнетронах посредством винтов закрепляются мишени из наносимого материала. В рассматриваемом случае мишени выполнены из нержавеющей стали, однако могут наноситься и другие металлы. Размещение дуальной магнетронной системы внутри камеры показано на рис. 15. 47 Рис. 15. Дуальная магнетронная система внутри вакуумной камеры Планарные магнетроны крепятся на кронштейнах посредством винтов, при этом для смены мишеней нет необходимости демонтировать магнетроны. Кроме того, на тех же кронштейнах крепится ионный источник, применяемый для очистки поверхности. В качестве рабочего газа применяется аргон, подаваемый к магнетронам посредством системы газонапуска. При необходимо возможно отключение одного магнетрона и применение ДМС как обычной магнетронной системы с одним магнетроном. 48 2.3. Модернизация откачной системы Имевшаяся в установке откачная система, состоящая из двух частей – высоковакуумной и форвакуумной – обеспечивала в рабочей камере остаточное давление 6,67 · 10-3 Па, что недостаточно для проведения технологического процесса нанесения антидеструкционного покрытия. В состав откачной системы входили три вакуумных насоса (механический газобалластный насос ВН-7, паромасляный бустерный насос БН-3 и высоковакуумный паромасляный диффузионный насос Н-8Т) и средства измерения вакуума (вакуумметр ионизационный термопарный типа ВИТ2-П, манометрическая лампа ионизационного типа ЛМ-2 и манометрические лампы термопарного типа ЛТ-2). Вакуумная система имела общую установленную мощность 13,3 кВт и обеспечивала откачку камеру до остаточного давления 6,67 · 10-3 Па за 50 минут. Для обеспечения устойчивой работы высоковакуумного насоса он был подсоединён к бустерному вакуумному насосу БН-3. Бустерный насос был соединён с форвакуумным газобалластным насосом ВН-7 (ВН-4). На трубопроводах между этими насосами были установлены запорные вакуумные вентили, служащие для отсоединения высоковакуумной части от форвакуумной. Для быстрого перекрывания трубопроводов при аварийном отключении электроэнергии за форвакуумным насосом ВН-7 был установлен аварийный клапан с ручным управлением. Форвакуумная часть обеспечивала в камере получение остаточного давления 0,67 Па. Для контроля остаточного давления насосов и рабочей камеры на трубопроводах вакуумной системы имеются грибки под лампы ЛТ-2 и ЛМ-2. Принципиальная схема вакуумной модернизации до модернизации приведена на рис. 16. 49 Рис. 16. Принципиальная схема вакуумной модернизации до модернизации Рис. 17. Принципиальная схема вакуумной модернизации после модернизации 50 объём; BL ― ловушка а зотная. Как уже было сказано, старая вакуумная система не могла обеспечить достижение в вакуумной камере необходимого для проведения технологического процесса давления. Кроме того, старый механический насос не мог обеспечить давление, достаточное для запуска процесса откачки диффузионным насосом. Для решения этой проблемы применялся третий насос – бустерный, игравший роль промежуточного звена между механическим и диффузионным насосами. Современные вакуумные наносы позволяют отказаться от применения бустерного наноса, тем самым повышая быстродействие и экономичность вакуумной системы. Для обоснованного выбора новых вакуумных насосов необходимо оценить газовыделение в вакуумной камере в ходе технологического процесса нанесения покрытия и определить расчётное быстродействие (скорость откачки) вакуумных насосов. 51 Оценочный расчёт вакуумной системы 1. Определение суммарного газовыделения Исходным (и наиболее ответственным) этапом вакуумного расчёта является определение газовой нагрузки или потока газа, формирующегося в объёме рабочей камеры. Расчётный газовый поток определяется на момент достижения заданного рабочего вакуума. Вообще газовый поток, воспринимаемый вакуумным насосом во время откачки камеры, имеет множество составляющих: газовыделение из конструкционных материалов, из которых изготовлена вакуумная камера; газовыделение из узлов и элементов, расположенных в камере; газовыделение из тепловыделяющих элементов; натекание атмосферного воздуха через неплотности в разборных, сварных, паяных соединениях; и так называемое технологическое газовыделение, обусловленное интенсивным температурным воздействием на изделия в процессе вакуумной обработки. Для данного вакуумного расчёта будем полагать, что газовый поток, откачиваемый вакуумным насосом при установившемся (стационарном режиме), имеет пять составляющих: Q = Qкам + Qдмс + Qии +Qбак + Qнат. Qкам, Qдмс, Qии – это газовые потоки, обусловленные поверхностной десорбцией из конструкционных материалов, применяемых для изготовления соответственно рабочей камеры, дуальной магнетронной системы и ионного источника; Qбак – это газовый поток, обусловленный поверхностной десорбцией из конструкционных материалов, применяемых для изготовления обрабатываемого изделия (диффузией газов, растворённых в толще изделия пренебрегаем, т.к. технологический процесс нанесения антидеструкционного покрытия предусматривает предварительную операцию отжига изделия); 52 Qнат – это поток газа, обусловленный натеканием атмосферного воздуха через сквозные микродефекты в сварных и паяных соединениях, а также через неплотности в разборных соединениях. Qдест = qдес ∙ Апов, где qдес – удельный поток газа, десорбирующийся с единичной поверхности материала при комнатной температуре, Апов – площадь поверхностей стенок камеры и устройств, “обращённых” в вакуумную полость. lg qдес = A – B ∙ t А, B – эмпирические константы, t – время десорбции, с. qдес = 10(A – B ∙ t) = = 10-3,4 = 3,98 ∙ 10-4 Поверхность камеры складывается из поверхностей собственно камеры, ведущего к диффузионному насосу патрубка и площади области над диффузионным насосом выше затвора. Акам = А1 + А2 + А3 = 9,8 + 0,79 + 2,07 = 12,66 [м2] Qкам = qдес ∙ Акам = 3,98 ∙ 10-4 ∙ 12,66 = 0, 0066 = 66 ∙ 10-4 Адмс = 2 Амагнетрон = 2 ∙ 0,8 [м2] Qдмс = qдес ∙ Адмс = 3,98 ∙ 10-4 ∙ 0,8 = 3,18 ∙ 10-4 Qии = qдес ∙ Аии = 3,98 ∙ 10-4 ∙ 0,31 = 1,23 ∙ 10-4 Qбак = qдес ∙ Абак = 3 ∙ 10-3 ∙ 3,1 = 93 ∙ 10-4 Qнат. в данном расчёте полагаем постоянным и равным величине 53 5 ∙ 10-4 Q = (66 + 3,18 + 1,23 + 93 + 5) ∙ 10-4 = 0,0168 = 1,68 ∙ 10-2 2. Выбор вакуумных насосов Выбор вакуумных насосов или вакуумных агрегатов производится при установившемся режиме откачки, который отличается фиксированным газовым потоком при заданном рабочем давлении. Расчётное значение быстродействия или скорость откачки высоковакуумного насоса будет определяться выражением: Sн(расч) = Pпред. – предельное давление газа, поддерживаемое в сечении впускного патрубка вакуумного насоса, Па; Pраб. – рабочий вакуум, задаваемый условиями технологического процесса. Sн(расч) = = 0,25 Подбираем вакуумный насос или агрегат так, чтобы Sн(агр) > Sн(расч). Выбранный насос НД-500 имеет быстродействие 0,9 м3/с. 0,9 > 0,25 => выполняется условие Sн(агр) > Sн(расч). В качестве форвакуумного выбран насос 2НВР-250Д. Характеристики вакуумного агрегата 2НВР-250Д Марка форвакуумного насоса 3 Быстродействие насоса, м /с 0,9 -1 Рабочий диапазон давлений, Па 10 –10-3 Предельное давление, Па 1,3 ∙ 10-5 Диаметр входного патрубка, мм 500 Марка высоковакуумного насоса НД-500 54 2.4. Разработка системы газонапуска Проведение технологического процесса нанесения антидеструкционного покрытия предполагает поступление в вакуумную камеру рабочего и реактивного газов. Подача нужных газов в вакуумную камеру осуществляется посредством системы газонапуска. Система газонапуска (или газовая система) должна содержать источник технологических газов (газовый баллон), регулятор расхода газа для обеспечения равномерного поступления газа в вакуумную камеру, совокупность вентилей, клапанов и манометров, а также трубопровод. В разработанной схеме технологические газы (аргон и кислород) подаются в вакуумную камеру из газовых баллонов по полиуретановым трубкам диаметром 10 мм. Дозированное поступление нужного газа в вакуумную камеру обеспечивается применением регуляторов расхода газа РРГ-10. Рис. 18. Регулятор расхода газа РРГ-10 55 Регулирование расхода осуществляется электромагнитным исполнительным механизмом, реагирующим на электрический выходной сигнал, пропорциональный расходу газа. РРГ-10 имеет аналоговое управление, которое осуществляется с помощью стабилизированного источника питания ±15 ±3% В. Для питания, управления и отображения информации используется специально разработанный блок управления и питания (БУИП). Внутри вакуумной камеры происходит равномерное распределение газа по всей длине вакуумной камеры благодаря специальным коллекторам, представляющим собой тонкие трубки диаметром 10 мм с тончайшими отверстиями, через которые газ выходит из коллектора в вакуумную камеру. Данная система подачи газа позволяет подавать в вакуумную камеру два газа независимо друг от друга с возможностью задания соотношения подаваемых газов и с автоматическим регулированием общего расхода для поддержания заданного давления в камере. 2.5. Разработка аксиального установочного устройства Одним из основных параметров получаемой плёнки является равномерность её толщины по площади подложки. Поэтому для повышения равномерности плёнки применяются специальные меры. Наиболее простым способом снижения неравномерности распределения плёнки по толщине является увеличение расстояния между подложкой и мишенью. Однако это уменьшает скорость конденсации плёнки, что отрицательно сказывается на её свойствах. Кроме того, максимально возможное расстояние между подложкой и мишенью ограничено размерами рабочей камеры установки. На практике для повышения равномерности применяют систему, обеспечивающую вращение подложки. Для малогабаритных изделий возможно обеспечение вращения в двух плоскостях. Однако в случае кислородного бака 56 представляется реализуемым вращение относительно только одной оси, совпадающей с осью вакуумной камеры. Рис. 19. Крепление кислородного бака в вакуумной камере. Перед нанесением покрытия кислородный бак помещается внутрь вакуумной камеры и устанавливается на опоры, позволяющие ему вращаться вдоль главной оси. Далее бак крепится винтами к валу аксиального установочного устройства, имеющего электрический привод. Электродвигатель размещён с внешней стороны крышки. Движение вводится в камеру через высоковакуумные вводы. В ходе проведения технологического процесса нанесения антидеструкционного покрытия кислородный бак вращается со скоростью 15 оборотов в минуту. 2.6. Разработка системы ионной очистки поверхности изделия Существенное влияние на качество формируемых покрытий, их адгезию к основе оказывает состояние поверхности образцов. Как правило, на поверхности образцов существует слой загрязнений, который ухудшает 57 адгезию покрытия. Технологический цикл нанесения покрытий включает в себя этап чистки поверхности образцов. Существует несколько методов очистки поверхности – метод термической десорбции, ионная очистка различных разновидностей, метод очистки с использованием каталитических реакций, метод скола в вакууме. Каждый из этих методов имеет свои достоинства, недостатки и области применения. В установках для магнетронного нанесения покрытий наибольшее распространение получил метод ионной очистки поверхности. Физическая сущность процесса ионной очистки заключается в бомбардировке поверхности подложки низкоэнергетичными ионами рабочего газа (чаще всего аргона). Основными параметрами, определяющими характер процесса взаимодействия ионного пучка с поверхностью, являются параметры пучка (плазменной системы) – плотность ионного тока и энергия ионов, а также время процесса. Процесс взаимодействия ионов с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, внедрения и распыления. Преобладание того или иного физического процесса зависит, в первую очередь, от энергии падающих ионов. При низких энергиях ионов преобладает конденсация падающих ионов на поверхности, образование и рост плёнки ионов используемого газа на бомбардируемой поверхности. При высоких энергиях преобладает интенсивное распыление атомов с поверхности, в результате чего толщина плёнки уменьшается. При некотором значении энергии граница поверхности остаётся неподвижной и преобладающим является процесс внедрения ионов в приповерхностный слой. Воздействие ионной бомбардировки на поверхность подложки вызывает возникновение дефектов в структуре материала. В процессах ионной очистки важно избежать возникновения дефектов, поэтому время ионной очистки 58 должно быть ограничено, чтобы не вызвать значительной аморфизации структуры материала подложки. Одним из способов сократить время ионного воздействия на поверхность, является применение реактивной ионной очистки, в ходе которой совместно с процессом ионной бомбардировки, на поверхности подложки происходит химическая реакция с образованием летучих соединений. Удаление обрабатываемого материала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодействии с химически активными частицами плазмы. При этом физическое распыление интенсифицирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя межатомные связи на обрабатываемой поверхности, увеличивают скорость распыления. Выбор реактивного газа определяется материалом подложки, на которую в дальнейшем будет наноситься покрытие. Как уже было сказано, в установке вакуумной металлизации после модернизации предполагается нанесение покрытий на внешнюю силовую оболочку кислородных баков для космических аппаратов. Внешняя оболочка такого бака выполнена из углепластика. Рис. 20. Фрагмент изделия из углепластика Углепластик – это полимерный композиционный материал, состоящий из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. 59 В качестве реактивного газа для травления углерода обычно применяется кислород. В плазме химически активные частицы образуются в результате взаимодействия молекул газа с ускоренными электронами, которые, в отличие от тяжелых частиц, обладают существенно большими энергиями. При взаимодействии атомов кислорода с электронами образуются ионы кислорода и атомарный кислород. О2 + e → О + О– Присутствие в плазме кислорода вызывает повышенную скорость травления углерода за счёт его оксидирования до СО или СО2 в соответствии со следующими химическими реакциями. 3С + О2 = 2СО С + О2 = СО2 Атомарный кислород также очищает поверхность от органических загрязнений. Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах, обеспечивающих превышение скорости удаления слоёв за счет химических реакций над скоростями распространения дефектов, образующихся вследствие ионной бомбардировки. Ионная очистка позволяет получить чистую поверхность и значительно повысить адгезию наносимой плёнки к подложке. В установке УВМ-1200 установлен источник ионов типа "Обнинск" (изготовитель – ООО "Ионима-Рус"). Ионный источник генерирует и испускает пучок ионов в форме цилиндра овального сечения со слабым расхождением к конической форме. 60 Рис. 21. Устройство ионного источника типа "Обнинск". 1 – анод; 2, 3 – катодные пластины; 4 – магнитный блок; 5 – водоохлаждаемые стенки; 6 – магнитопровод; 7 – охранный экран; 8 – изолятор; 9 – платформа; 10 – платформа; 11 – штуцер; 12 – винт. Устройство ионного источника состоит из анода 1, расположенного напротив выпускной щели, образуемой катодными пластинами 2, 3, закреплёнными на магнитном блоке 4 и водоохлаждаемых стенках 5 с помощью магнитопроводов 6. Роль катода выполняет корпус ионного источника. Анод окружён охранным экраном 7, закреплённым через изоляторы 8 на платформе 9. 61 Рабочий газ подаётся внутрь корпуса ионного источника через штуцер 11 в газораспределительную систему, находящуюся снизу платформы 10. Юстировка ускоряющего промежутка (расстояния от анода до катодных пластин) может осуществляться с помощью винтов 12. Анод изолирован от корпуса (катода) с помощью изоляторов. Сопротивление изоляции между анодом и корпусом должно быть не менее 1МОм. Ориентация намагниченности постоянных магнитов, расположенных внутри магнитного блока, одинакова. Принцип действия ионного источника заключается в отборе ионов из разряда, возбуждаемого между анодом и катодными пластинами в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы ускоряются в промежутке между анодом и катодными пластинами и испускаются в направлении обрабатываемого изделия. Подвод газа осуществляется через гибкие полимерные шланги Dy = 4 мм, присоединённые к штуцерам ионного источника. Подача воды в анод осуществляется через медные трубки Dy = 10 мм, которые одновременно являются токоподводами высокого напряжения. Для питания источника ионов используется блок питания "ИВЭ-345-02" (изготовитель – ЗАО "Плазматех"). 62 3. ОХРАНА ТРУДА Безопасная эксплуатация установки вакуумной металлизации типа УВМ1200 включает в себя следующие аспекты: 1) электробезопасность; 2) пожаробезопасность; 3) соблюдение мер предосторожности при обращении с газовыми баллонами. 3.1. Электробезопасность Опасность поражения электрическим током при прикосновении к корпусу и другим металлическим частям оборудования, оказавшимися под напряжением вследствие замыкания на корпусе и по другим причинам, может быть устранена быстрым отключением повреждённой установки от питающей сети и вместе с тем снижением напряжения корпуса относительно земли. Зануление – преднамеренное электрическое соединение с электрическими проводниками металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части оборудования с глухозаземлённой нейтральной точкой источника тока или её эквивалентом. Эквидистантой нейтральной точки источника тока могут быть: средняя точка источника постоянного тока, заземлённый выход источника однофазного тока, искусственная нейтральная точка сети, созданная с помощью трансформаторов, резисторов и т.д. Причины необходимости зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (т.е. между фазными и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить повреждённую установку от питающей сети. Такой защитой являются плавкие предохранители и максимальные автоматы, устанавливаемые для защиты от токов короткого 63 замыкания, магнитные пускатели со встроенной тепловой защитой, контакторы в сочетании с тепловыми реле, осуществляющие защиту от перегрузки, автоматы с комбинированными распределителями, осуществляющие защиту одновременно от токов короткого замыкания и перегрузки. Кроме того, поскольку корпуса (или другие нетоковедущие металлические части, оказавшиеся под напряжением) заземлены через нулевой защитный проводник, то в аварийный период, т.е. с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения повреждённой электроустановки от сети, проявляется защитное свойство этого заземления, подобно тому, как это имеет место при защитном заземлении. Иначе говоря, заземление корпусов через нулевой проводник снижает в аварийный период их напряжение относительно земли. Схема зануления требует наличия в сети нулевого защитного проводника, глухого заземления нейтрали источника и повторного заземления нулевого защитного проводника. Назначение нулевого защитного проводника в схеме занулений – обеспечение необходимого для отключения установки значения тока однофазного короткого замыкания путём создания для этого тока цепи с малым сопротивлением. Назначение заземления нейтрали в сети до 1000 В – снижение напряжения занулённых корпусов (а следовательно, нулевого защитного проводника) относительно земли до безопасного напряжения при замыкании фазы на землю. Повторное заземление нулевого проводника значительно уменьшает опасность поражения током, возникающую в результате обрыва нулевого защитного проводника, но не может устранить её полностью, т.к. не может обеспечить те условия безопасности, которые существовали до обрыва. 64 Расчёт зануления При замыкании фазы на занулённый корпус электроустановка автоматически отключается, если значение тока однофазного короткого замыкания на корпус удовлетворяет условию: где Iном – номинальный ток срабатывания автоматического выключателя; k – коэффициент кратности тока, нормируется в зависимости от типов защитных автоматов и от условий окружающей среды. Электрическая установка подключается к линии с напряжением 380 В и частотой 50 Гц медным проводом 3х16 мм2. Мощность, потребляемая установкой вакуумной металлизации, равна 16 кВт. = 24,34 [А] Так как помещение, в котором размещена установка, относится к помещениям с нормальной средой, то коэффициент кратности принимаем равным 1,4 для автомата с электромагнитным расцепителем. [А] Исходя из мощности, потребляемой установкой, а также с учётом непредвиденных подключений, выбираем автоматический выключатель с Iном = 50А. В качестве нулевого провода используем стальную полосу прямоугольного сечения 40х4 мм. Ориентировочный ток короткого замыкания будет для установки равен: Iк = 1,4 50 = 70 [А]. При расчёте допустимого тока применяем приближённую формулу для действующего значения тока короткого замыкания Ik [А], в которой модуль 65 сопротивления трансформатора и петли «фаза–нуль» складываются арифметически: где Uф – фазное напряжение; – сопротивление одной фазы трансформатора; Zn – сопротивление петли «фаза–нуль». Так как мощность трансформатора составляет 1000 кВт, то выбираем ZТ = 0,081 Ом. Сопротивление петли «фаза–нуль» определяем по формуле: где Rф и Rн – активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводов; Хф и Хнз – внутреннее индуктивное сопротивление фазного и нулевого защитного проводов. Активное сопротивление фазного проводника определяем по формуле: где ρ – удельное сопротивление меди ρCu = 0,018 Ом мм2/м. L – длина линии от трансформатора до общего распределительного щита (РЩ). L = 450 м. 66 Общая длина линии складывается из длины линии от общего РЩ до РЩ лаборатории (L = 200 м) и длины линии от РЩ лаборатории до установки (L = 25 м). S - площадь поперечного сечения проводов, соответственно S1 = 16 [мм2], S2 = 25 [мм2] , S3 = 50 [мм2]. Тогда Rф1 = 0,0018 25/16 = 0,028 [Ом] Rф2 = 0,018 200/25 = 0,144 [Ом] Rф3 = 0,0018 450/50 = 0,0162 [Ом] Суммарное сопротивление фазных проводов будет равно; = Rф1 + Rф2 + Rф3 = 0,334 [Ом] Для определения активного сопротивления нулевого защитного проводника определяем плотность потока в стальной полосе. γ = IП/ δ П γ И = 14/160 = 0,087 [А/мм2] Погонное активное и индуктивное сопротивления стального провода rω = 2,8 Ом/км, Хω = 1,68 Ом/км. Тогда до установки Rиз = rω I = 2,8 0,675 = 1,89 [Ом] Значение внутреннего индуктивного сопротивления фазного провода сравнительно мало (0,0156 Ом/км), поэтому им можно пренебречь. Внутреннее индуктивное сопротивление нулевого провода определяем по формуле Хп = Хи I = 1,68 0,675 = 0,4 [Ом] Находим действительное значение токов однофазного короткого замыкания, проходящего по петле «фаза-нуль» для источника питания 67 Iк = = 82 [А] Действительное значение тока однофазного замыкания превышает допустимое по условию срабатывания автомата. Следовательно, защита от поражения электрическим током при замыкании фазы на корпус обеспечена. Сопротивление заземления нейтрали должно быть таким, чтобы в случае замыкания какой-либо фазы на землю через сопротивление места замыкания, напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшись к занулённому корпусу, не превышало бы некоторого допустимого напряжения прикосновения. Падение напряжения на участке нулевого провода составит = 142 [Ом] где г2М31 = 2,8 0,450 = 1,060 [Ом] х'мз 1 = 1,68 0,450 = 0,752 [Ом] х''мз 1 = 0,6 0,450 = 0,265 [Ом] = 0,82 [Ом] = 2,8 0,025 = 0,63 [Ом] = 1,68 0,025 = 0,378 [Ом] = 0,6 0,025 = 0,135 [Ом] 68 UH = 82 0,82 = 67,24 [В] Падение напряжения на повторном заземлении определяем с учётом токораспределения на первом участке схемы. Uпз = Rпз I0мз 1 (Rн/R0) = 10 82 1,42/(10+4) = 83,13 [В] Uпр.ном = 83 + 67,24 = 150,24 [В] Ток, проходящий через человека, будет равен: Ih = Uпр/Rh = 150/100 = 0,15 [А] Максимально возможное 0,3 секунды. воздействие Следовательно, тока на человека отключённый аппарат составляет обеспечивает электробезопасность установки. Схема зануления установки представлена на рис. 22. Рис. 22. Схема зануления. 1 – трансформатор; 2 – распределительный щит общий; 3 – распределительный щит лаборатории; 4 – автоматический выключатель; 5 – сопротивление заземления нейтрали; 6 – испытательная установка; 7 – сопротивление повторного заземления; 8 – нулевой защитный провод; 9 – фазные провода. 69 По окончании монтажных работ, а также в процессе эксплуатации системы зануления, в соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок», необходимо: измерить сопротивление заземления нейтрали и повторных заземлителей нулевого проводника; проверить состояние элементов заземляющих устройств; проверить целостность заземляющих сетей, в том числе наличие цепи между нулевым защитным проводником и занулённым оборудованием; измерить сопротивление петли «фаза-нуль» и сопротивление изоляции. 3.2. Пожарная безопасность Пожарная безопасность в данном обеспечивается соблюдением норм технологическом ГОСТ 12.1.004-78. процессе «Пожарная безопасность. Общие требования». В связи с этим рабочее помещение оснащается средствами пожаротушения. В специально отведённых местах устанавливаются: огнетушители, песок, щит с ломами, лопатами, топорами. Производство относится к категории «Д» по пожароопасности. Одним из важных условий успешной ликвидации возникшего пожара является быстрое обнаружение загорания и немедленное сообщение об этом местной пожарной охране. Для сообщения о пожаре в рабочих помещениях служит специальная пожарная сигнализация. Пожар, т.е. процесс горения, можно устранить путём прекращения доступа воздуха к горящему предмету или снижение его температуры горения. В средствах тушения пожара используют два метода одновременно. Противопожарное водоснабжение обеспечивается устройством специального водопровода. При необходимости допускается водоснабжение из водоёмов и резервуаров. При водоснабжении из водопровода, пожарные рукава присоединяются к гидрантам, которые должны устраиваться на расстоянии не более 100 метров от рабочих помещений. 70 Среди автоматических средств пожаротушения на производственных предприятиях наиболее распространены спринклерные и дренчерные установки. Они представляют собой разветвлённую распределительную водопроводную сеть с распылителями водяных струй или воздушномеханической пены при помощи спринклерных или дренчерных головок. Спринклерная распылительная головка представляет собой блок с отверстием, закрытым стеклянным колпаком (клапаном), удерживаемым замком, изготовленным из легкоплавкого металлического сплава. При повышении температуры воздуха, нагретого пламенем начавшегося пожара, вследствие расплавления сплава замок расплавляется и освобождает клапан, через который вода, попадая на розетку, распыляется и орошает горящее вещество. Применяют сплав замка с температурой плавления 72, 93, 141, 182° С, в зависимости от условий возможного загорания. Одновременно с помощью контрольно-сигнального аппарата подаётся звуковой сигнал, возвещающий о пожаре. Дренчерные установки группового действия также состоят из разветвлённых трубопроводов, оборудованных дренчерными распылительными головками, но без замков, с открытыми отверстиями для выхода воды. Выход воды закрыт клапаном группового действия. Пуск воды для тушения пожара может осуществляться вручную или автоматически. Автоматическая установка пожаротушения содержит: источник водоснабжения (бассейн, водоём); водопитатели (резервуары, постоянно наполненные водой); контрольно-сигнальное устройство, контролирующее готовность установки к работе, включающее её и подающее сигнал пожарной тревоги; сеть питательных и распределительных трубопроводов к прибораморосителям, подающих распылительную воду к очагу пожара. Автоматическое включение установки в работу осуществляется от датчиков, реагирующих на факторы пожара (тепло, свет, дым). Помимо 71 основного, установка оборудована вспомогательным водопитателем, обеспечивающим постоянное давление воды в системе. Контрольно-пусковой узел предназначен для включения подачи воды в установку, автоматическое приведение в действие звуковых и световых сигналов о начавшемся пожаре. 3.3. Меры безопасности при обращении с газовыми баллонами К работе с газовыми баллонами должны быть допущены лица, прошедшие обучение и имеющие соответствующее удостоверение. Не допускается работа с неисправными баллонами, а также с баллонами, имеющими истёкший срок хранения, за исключением слива баллонов при негерметичности газового арматурного блока или других фитингов. Заправка и установка баллонов не допускается вблизи открытого огня, работающих электроприборов и автомобилей, а также запрещается курение. Баллоны при заправке и сливе должны быть установлены на заземлённую поверхность. Обязательно наличие исправного огнетушителя. Обслуживающий персонал должен иметь одежду из неоплавляемой ткани, иметь на руках перчатки или рукавицы. Расстояние до лиц, не связанных с заправкой или монтажом, а также до ближайших автомобилей, прицепов, аэростатов и др. должно быть не менее 15 метров. Категорически запрещается заправка баллонов более 85% общего объёма. Контроль осуществляется по началу выхода жидкой фазы из ниппеля. В остальном, что не оговорено в настоящем разделе в части заправки и проверки баллонов, необходимо руководствоваться местными правилами. Заправка газовых баллонов должна производиться вне помещений на специально оборудованных станциях. Слив (перелив) газа из баллона производится в следующих случаях: при транспортировании или хранении, если того требуют условия; при нарушении герметичности газового арматурного блока; 72 при проверке технического состояния; при заправке или дозаправке других баллонов. Слив (перелив) газа следует производить на открытой, хорошо продуваемой площадке. В процессе работ следует руководствоваться требованиями мер безопасности, кроме этого необходимо, чтобы с подветренной стороны на расстоянии 100 м при переливе и 500 м при сливе не было людей, строений, домашнего скота, линий электро- и телеграфных передач, каких-либо непродуваемых углублений, способных накапливать газ, автомобильных и железнодорожных магистралей. Заправленные или частично заправленные баллоны должны храниться вертикально под навесом, огороженным сеткой или иным способом, при этом площадь, через которую может свободно проходить воздух, не должна быть меньше 25% от площади всего ограждения и располагаться равномерно или в нижней части ограждения. На месте хранения должны находиться исправные огнетушители. В одном месте должно храниться не более 200 баллонов. Расстояние от места хранения баллонов до других мест хранения газа не менее 5 м, до зданий и сооружений не менее 15 м. Навес должен обеспечивать защиту от прямой солнечной радиации и прямого воздействия осадков. Совместное хранение исправных и неисправных баллонов, а также баллонов с истекшим сроком технического освидетельствования не допускается. При хранении на баллонах должны быть закрыты все вентили и установлены заглушки. [19] 73 3.4. Защита от электромагнитных полей Известно, что около проводника, по которому протекает ток, возникают одновременно и электрическое, и магнитное поля. Если ток не меняется во времени, то эти поля не зависят друг от друга. При переменном токе магнитное и электрическое поля взаимосвязаны и представляют собой единое электромагнитное поле. Воздействие электромагнитных полей на человека зависит от напряжённостей электрического и магнитного полей, потока энергии, размера облучаемой поверхности тела и индивидуальных особенностей организма. В постоянном электрическом поле ткани живого организма в той или иной мере поляризуются. В переменном электромагнитном поле электрические свойства тканей организма оказываются зависящими от частоты, причём с возрастанием частоты они всё более теряют свойства диэлектриков и приобретают свойства проводников. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в тепловую. Избыточная теплота до известного предела отводится путём увеличения нагрузки на механизм терморегуляции. Однако, при интенсивности излучения выше теплового порога (I = 10 мВт/см2), организм не справляется с отводом тепла и температура повышается. Наиболее интенсивно электромагнитные поля воздействуют на органы с большим содержанием воды. Перегрев же особенно вреден для тканей со слаборазвитой системой или с недостаточным кровообращением, таких как глаза, мозг, почки и др. Воздействие электромагнитных полей вызывает морфологические изменения в тканях – ожоги, омертвления, кровоизлияния, изменение структуры клеток, нарушение питания тканей и органов. Электромагнитные поля оказывают специфическое воздействие на ткани человека при интенсивности излучения значительно меньше теплового порога. Они изменяют ориентацию клеток и цепей молекул, в соответствии с направлением силовых линий электрического поля, ослабляют биохимическую активность белковых молекул, нарушают функции сердечно-сосудистой 74 системы и обмен веществ. Однако, эти изменения носят обратимый характер: достаточно прекратить облучение и болезненные явления исчезают. Длительное систематическое воздействие электромагнитных полей на организм человека приводит к функциональным изменениям, в первую очередь нервной системы. Появляются головная боль, нарушение сна, утомляемость, изменение состава крови и т.д. В качестве предельно допустимых норм интенсивности излучения на рабочих местах приняты следующие значения: • при облучении в течении всего рабочего дня I=10 мкВт/см2; • при облучении до 2 часов за рабочий день I = 100 мкВт/см2; • при облучении в течение 15 – 20 мин за рабочий день, при обязательном использовании защитных очков, I = 1000 мкВт/см2, в остальное время не более 10 мкВт/см2. Защита необходима обслуживающего для обеспечения оборудование. Она безопасности осуществляется персонала, специальными защитными экранами, расстоянием до источника излучения и регламентацией времени пребывания в зоне облучения. Защита расстоянием является наиболее простым методом. Он применим для персонала, которому нет необходимости находиться вблизи источников электромагнитного излучения, а также в случаях возможности дистанционного управления установкой. Для защиты от электромагнитных излучений применяют заземлённые экраны. К средствам индивидуальной защиты от электромагнитного излучения относятся комбинезоны и халаты из металлизированной ткани, осуществляющие защиту организма человека по принципу сетчатого экрана. Для защиты глаз применяют очки марки ЗП5-90, вмонтированные в капюшон или применяемые отдельно [20]. 75 4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4.1. Влияние электромагнитных полей на экологию Интенсивное техническое развитие в XX веке и проникновение техники практически во все сферы человеческой жизни привели к революционным изменениям в жизни человечества. Безусловно, технический прогресс кардинально улучшил жизнь человека и дал ему больше возможностей для реализации своих стремлений. Однако проникновение техники во все сферы человеческой жизни привело к появлению нового вида загрязнения окружающей среды – электромагнитному. В настоящее время электромагнитное поле (ЭМП) официально признано опасным для здоровья человека и окружающей среды и подлежит обязательному нормированию и контролю. Дальнейшее развитие средств связи, транспорта, систем передачи обработки информации и других технических средств, генерирующих электромагнитное излучение, неизбежно приведёт к росту электромагнитного воздействия на окружающую среду. За прошедшее десятилетие произошли изменения в структуре источников электромагнитных полей, связанные с возникновением новых их видов (мобильной связи, wi-fi), расширением частотных диапазонов радио- и телевещания, внедрением систем дистанционного контроля и наблюдения. Так, например, расширение зоны покрытия мобильной связи приводит к значительному ухудшению электромагнитного фона в окружающей среде. В 1995 году Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) электромагнитное загрязнение было названо одной из основных проблем, стоящих перед человечеством, и официально был принят термин "глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды". В связи с этим было принято решение о реализации так называемого Всемирного электромагнитного проекта (WHO International EMF Project ), в котором участвуют практически все технические и культурно развитые страны. 76 Здесь можно отметить, что определённый уровень электромагнитного излучения является вполне естественным и все живые организмы, в том числе человек, к нему приспособились в процессе длительной эволюции. Проблема возникает при резком (в исторической перспективе) повышении естественного уровня. Современные средства связи работают, как правило, в СВЧ- и КВЧдиапазонах электромагнитного излучения. Создаваемая этими средствами связи плотность мощности облучения на поверхности Земли составляет в среднем 10-6...10-7 Вт/см2 или 10-2...10-3 Вт/см2 в случае использования модулированных режимов. К каким же последствиям для окружающей среды и человека в частности может привести дальнейшее возрастание влияния электромагнитного излучения? Живой организм – это сложная система, в состав которой входит множество, адаптирующихся к изменению внутренних и внешних условий. Как было установлено многочисленными исследованиями, электромагнитное поле является основным носителем информации внутри биологического объекта. Взаимодействие между различными биологическими объектами также осуществляется посредством электромагнитных излучений. Внутреннее электромагнитное поле человека имеет ограниченную мощность, определяемую энергетическими возможностями человека, в то же время обеспечивая циркуляцию огромных потоков информации в процессе жизнедеятельности человека. Способность передавать огромные потоки информации, справляясь с возникающими при этом перегрузками – во многом следствие способности клеток к самоорганизации и адаптации, что является фундаментальным свойством всех живых организмов. Именно способность живых организмов к самоорганизации, к выработке принципиально новых свойств процессов, во многом и позволила живым организмам эволюционировать. 77 Однако возникшие в процессе эволюции живые структуры являются достаточно устойчивыми лишь в некотором диапазоне внешних воздействий. При достижении порога устойчивости сильное внешнее воздействие, в том числе электромагнитное, может приводить к потере устойчивости и к появлению сбоев в генетической программе, вызывая разного рода мутации. Появившиеся мутации имеют целью изменить организм и адаптировать его к новым условиям, то есть перевести его в новое устойчивое состояние. По сути, вся эволюция – это бесконечная последовательная смен таких устойчивых состояний. Однако быстрый переход в новое состояние зачастую вызывает мутацию с непредсказуемыми для человека последствиями и потому нежелателен, гораздо более предпочтительна постепенная эволюция. Резкая мутация может нарушить генетическую программу настолько, что организм будет попросту нежизнеспособен. В связи с вышесказанным можно смело утверждать, что сильное внешнее электромагнитное воздействие на живой организм может привести к непредсказуемым генетическим изменениям и потому представляет собой существую опасность для человека и окружающей среды. Возникает необходимость контроля величины этого электромагнитного воздействия, наблюдение за его влиянием на состояние окружающей среды и проектирование новых технических средств с учётом необходимости снижения величины испускаемого ими электромагнитного излучения. Помимо контроля и нормирования величины электромагнитного воздействия, очень важно совершенствовать технические средства с целью снижения испускаемого ими электромагнитного излучения. Решение проблемы электромагнитного загрязнения окружающей среды – одна из важнейших задач человечества в XXI веке. 78 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Данная выпускная квалификационная работа была посвящена модернизации установке вакуумной модернизации типа УВМ-1200. До модернизации установка УВМ-1200 использовалась для нанесения различных металлов методом резистивного испарения и получаемые покрытия обладали всеми недостатками, присущими этому методу нанесения покрытий – низкой равномерностью получаемой плёнки по толщине, невозможностью наносить покрытия из материалов, температура плавления которых превышает 1500°С, возможностью загрязнения получаемой плёнки материалом нагревателя, технологический процесс обладал большой инерционностью. Решение поставленной задачи – обеспечение возможности наносить в установке равномерные антидеструкционные покрытия на внешнюю силовую оболочку кислородных баков для космических аппаратов – потребовало провести модернизацию установки, выбрав более совершенный метод нанесения покрытий. В качестве такого метода после рассмотрения различные вариантов был выбран метод дуального магнетронного распыления. В ходе модернизации была разработана дуальная магнетронная испарительная система, модернизирована откачная система, разработаны аксиальное установочное устройство для обеспечения вращения обрабатываемого изделия и система подачи газа для напуска в вакуумную камеру технологических газов – аргона и кислорода. После модернизации установка УВМ-1200 способна наносить равномерные покрытия с высокой скоростью на подложки большой площади, и, в частности, позволяет получать высококачественные антидеструкционные покрытия на внешней силовой оболочке кислородных и топливных баков космических аппаратов. Получаемое антидеструкционное покрытие позволит в несколько раз увеличить срок службы космических аппаратов на орбите. 79 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями для нанесения тонкоплёночных покрытий на подложки большой площади / А.А. Соловьёв // Томск, 2007, с. 5-73. 2. Generation of pulsed direct-current plasma above 100 torr for large area diamond deposition / W.-S. Lee, K.-W. Chae, K.Y. Eun, Y.-J. Baik // Diamond and Related Materials, 2001, V.10, p. 2220-2224. 3. CVD-processes by hollow cathode glow discharge / A. Hellmich, T. Jung, A. Kielhorn, M Ribland // Surf. Coat. Technol., 1998, V.98, p. 1541-1546. 4. Linearly extended plasma source for large-scale applications / M Kaiser, K.-M. Baumgartner, A. Schulz, M. Walker, E. Rauchle // Surf. Coat. Technol., V.116119, 1999. p. 552-557. 5. Arc discharge synthesis of uniform thickness diamond coatings on large areas / V.A. Belous, V.V. Vasil’ev, D.Yu. Zaleskij, N.V. Samokhvalov, V.E. Strel’nitskij // Diamond and Related Materials, V.7, 1998, p. 143-146. 6. Reactive pulsed laser deposition of silica and doped silica thin films / A.C. Ford, T. Tepper, C.A. Ross // Thin Solid Films V.437, 2003, p. 211–216. 7. Ion beam sputter deposition of SmCo permanent magnetic thin films for microsystems applications / R. Balu, A.R. Raju and S. Mohan // Proceedings of ISSS 2005 International Conference on Smart Materials Structures and Systems, Bangalore, India, 2005. 8. Нанесение прозрачных проводящих покрытий на основе оксида цинка методом магнетронного распыления / С.В. Работкин // Томск, 2009, с. 13-25. 9. Magnetic field designs for cylindrical-post magnetron discharge sources / Yeom G.Y., Thornton J.A., Penfold A.S. // J.Vac.Sci.Technol., V. 6, № 6, 1988, p.31563158. 10. Wasa K., Hayakawa S. // Jpn. Patent № 642.012, 1967. 11. Sputtering process and apparatus / Chaplin J.S. // United States Patent № 4.166.018, 1979. 80 12. Recent advances in magnetron sputtering / Arnell R.D., Kelly P.J. // Surf. and Coat. Technol., V.112, 1999, p. 170-176. 13. Unbalanced magnetrons and new sputtering system with enhanced plasma ionization / Musil J., Kadlec S., Mьnz W.D. // J.Vac.Sci.Technol., V. 9, № 3, 1991, p.1171-1177. 14. High-rate reactive DC magnetron sputtering of oxide and nitride superlattice coatings / Sproul W.D. // Vacuum, V. 51, № 4, 1991, p.641-646. 15. Unbalanced magnetrons and new sputtering system with enhanced plasma ionization / Musil J., Kadlec S., Munz W.D. // J.Vac.Sci.Technol., V. 9, № 3, 1991, p.1171-1177. 16. Design, plasma studies, and ion assisted thin film growth in an unbalanced dual target magnetron sputtering system with a solenoid coil / Engstrom C., Berlind T., Birch J. et al. // Vacuum, V. 56, 2000, p.107-113. 17. Pulsed magnetron sputter technology / Schiller S., Goedicke K., Reschke J. et al. // Surf. and Coat. Technol., V.61, 1993, p. 331-337. 18. Reactive pulsed magnetron sputtering process for alumina films / Kelly P.J., Henderson P.S., Arnell R.D. et al. // J.Vac.Sci.Technol., V. 18, № 6, 2000, p.2890-2896. 19. Таланов А. В. Всё о воздушных шарах. Москва, Издательство Астрель, 2002. 20. Постановление 848-70. Санитарные нормы и правила при работе с источниками электромагнитных полей высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот. 81 Приложение. Спецификация на магнетрон 82 18 83
