ВАКУУМНЫЕ НАПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Вакуумные напылительные системы (вакуумные напылительные установки, вакуумные напылительные машины) – это отдельный «подмир» вакуумного технологического оборудования Концептуально, это оборудование для формирования тонкоплёночных покрытий на деталях и модификации поверхностных слоёв различных изделий. Цель – либо создать принципиально новое изделие (например, полупроводниковые элементы, оптические элементы, резистивные слои, дорожки печатных плат), либо модифицировать материал с целью расширения сферы использования и изменения технологических параметров (повышение износостойкости, коррозионной стойкости, уменьшение коэффициента трения, либо декоратиповышение износостойкости, коррозионной стойкости, уменьшение коэффициента трения, либо декоративная обработка).
​
Промышленное напыление тонких плёнок возможно либо методами физического осаждения из газовой фазы (PVD), либо методами химического осаждения из газовой фазы (CVD). Принципиальна разница в механизмах протекания процессов. Методы CVD требуют источников стимуляции химической реакции, когда формируется покрытие или изменяется поверхностный слой образца. В качестве методов стимуляции реакций используется либо нагрев образцов до высоких температур, либо применение высокочастотной плазмы. Есть ряд процессов, который пока что трудно реализовать иначе, как CVD-методами. Прежде всего, когда требуется работа с хлор, фтор, метил-содержащими газами. В целом же методы физического осаждения в промышленности встречаются гораздо чаще. PVD методы описываются потоками частиц и кинетикой молекул, атомов и электронных потоков. Энергетические потоки являются основным инструментом PVD-методов.
​
Компания АЛЬФАВАК предлагает вакуумные напылительные системы CVD на базе кварцевых реакторов. Кварцевые реторты (кварцевые трубы и кварцевые стаканы) представляют из себя изделия из кварца диаметром до 200 мм и длиной до 1 метра (это наиболее промышленно популярные типоразмеры). Толщина стенки до 4 мм. Технически кварц может выдержать продолжительный режим работы на температурах до 1100 градусов Цельсия. Этим значением ограничены температуро-стимулируемые реакции CVD-процессов в нашем оборудовании.
​
Вакуумные напылительные установки, реализующие технологии PVD - физического осаждения из газовой фазы – следует разделить, исходя из применяемых в их составе источников энергетических частиц:

• магнетронные распылительные системы. Серия продукции – AlfaM
• дуговые распылительные системы. Серия продукции – AlfaA
• установки напыления термического типа, в которых испарение материала осуществляется резистивным нагревом лодочек (оснастка для загрузки испаряемого материала). Серия продукции – AlfaR
• установки напыления электронно-лучевого типа, в которых испарение материала осуществляется нагревом сканирующим электронным пучком. Серия продукции – AlfaE

​
Есть и другие технологические приёмы формирования частиц (лазерная абляция, ионно-лучевое распыление, испарение взрывом и т.д.), однако вышеуказанные четыре типа PVD-процессов нашли наибольшее распространение в промышленности и именно отработкой технологии и конструкций этих типов занимается компания АЛЬФАВАК.
​
Соответственно, основными технологическими устройствами вышеописанных систем являются магнетрон, дуговой источник, лодочка для термического испарения и электронно-лучевая пушка. Каждый из источников находит своё применение с учётом нюансов и требований технологии и свойств покрытия. Данные нюансы являются предметами интеллектуальной собственности как компании АЛЬФАВАК, так и её заказчиков. Да, мы являемся сторонниками распространения знания и достижений науки и техники, однако соблюдаем коммерческую тайну и при реализации совместных проектов, когда идёт обмен информацией с заказчиком, всегда учитываем интересы не только двух сторон договора, но и других Заказчиков, с которыми уже работали или будем работать. Поэтому нюансы вашей технологии всегда останутся предметом исключительно вашего интеллектуального капитала.
​
Лодочки для термического испарения имеют типовую длину до 100-150 мм (редко больше), изготавливаются из тугоплавких материалов (молибден, вольфрам, тантал). Резистивные испарители - это относительно несложные по конструкции узлы. Элементом усложнения, но необходимым для ряда задач, является использование специальных вибро-бункеров (прежде всего для работы с резистивными сплавами типа РС3710 и др. в электронной промышленности). Подобные узлы мы также разрабатываем и предлагаем нашим Заказчикам в составе вакуумных напылительных систем серии AlfaR.
​
Электронно-лучевые испарители представляют собой источник электронов (как правило нить накаливания) с системой отклонения луча (чаще всего на 270 градусов), выполненных в одном корпусе с системой ячеек для размещения испаряемого материала. Так называемый «карман» для засыпки материала (или pocket) варьируется в объёме от 20 до 100 см3 (есть и больше, но редко встречаются), кол-во «карманов» также может меняться от 1 шт. до 8 ш.т (под заказ можно и больше заложить). Наибольшее применение электронно-лучевые пушки нашли в оптической промышленности, так как позволяют напылять стехиометрические покрытия, состоящие из чередующихся слоёв оксидов материалов с разным коэффициентом преломления. Таким образом формируются разнообразные зеркала, фильтры и другие оптические изделия.
​
Дуговые испарители – основной инструмент технологии PVD для машиностроительных задач. Основной плюс – скорость и возможность формировать большие толщины покрытий за короткое время процесса. Физически процесс основан на зажигании дуги (по аналогии со сварочной) над поверхностью распыляемого материала. Дуга сканирует поверхность материала «мишени» (так называется электрод – катод), обеспечивая равномерный расход материала. Катоды есть планарные (в виде конусов) и цилиндрические. Цилиндрические катоды наиболее рациональны с точки зрения экономики процесса, но существует очень ограниченный перечень производителей подобных узлов.
​
Магнетроны – самый любимый наш инструмент. Магнетронные распылительные системы активно внедряются во все технологические цепочки PVD-процессов. Магнетрон является наиболее универсальным распылительным устройством. В зависимости от используемых блоков питания, можно работать с металлами и неметаллами, проводящими материалами и диэлектриками, парамагнетиками и ферромагнетиками. Существуют также различные типоразмеры – планарные круглые и протяженные прямоугольные, цилиндрические с наружным распылением и внутренним. Габариты магнетронов составляют от 20-25 мм до 3-4 метров длиной. Широчайший спектр покрытий и управляемый поток частиц (линейная зависимость время экспонирования – толщина покрытия, линейная зависимость мощность экспонирующего потока – толщина покрытия) сделали магнетроны основным инструментом многих лабораторий и производстов конструкции.

В вакуумных напылительных системах, помимо источника распыляемого материала, важными составляющими являются дополнительные технологические средства и процессы:

1. Нагрев подложек. До 200-250 градусов Цельсия. Возможен либо ИК-лампами либо посредством ТЭН
2. Использование в составе технологический устройств источника ионов. Источники ионов используются для окончательной очистки образца перед напылением тонкой плёнки, повышения адгезии, а также для стимуляции процессов на поверхности подложки во время осаждения («уплотнение» покрытия, насыщение кислородом, углеродом или азотом функционального слоя, вытягивая стехиометрию до требуемого значения). Источники ионов (в промышленном понимании) подразделяются на высокоэнергетические (с анодным слоем) и низкоэнергетические (типа Кауфмана). Также дополнительно существует градация на сеточные и бессеточные. Сеточные также являются более энергетическими, чем бессеточные
3. ​Система контроля толщины покрытий на базе кварцевых датчиков массы
4. Система контроля сопротивления по образцу-свидетелю
5. Система контроля оптических параметров покрытий (для оптических задач) - оптические мониторы.
6. Система контроля плазменного разряда (при магнетронном распылении оценивается состав ионизированный среды по характеристическому свечению) - плазменные мониторы.
7. Система поддержания давления в вакуумной камере. На базе газонезависимых ёмкостных вакуумметров (типа Баратрон)
8. Дополнительно рекомендуется использования масс-спектрометрических устройств для оценки остаточной среды перед началом технологических процессов
9. Система перемещения образцов. Простая, планетарная, либо качение. Равномерность – это то, за что идёт борьба в прецизионных покрытиях. И элемент этой борьбы – правильная геометрия расположения и перемещения деталей относительно источников энергетических частиц
10. И конечно, общевакуумная часть – система откачных средств, отсечных элементов и измерения вакуума.

На диаграммах ниже изображены траектории перемещения кассеты с образцом, совершающей планетарное вращение. Внимательный Заказчик понимает, какая именно из конструкций повышает вероятность получения равномерных покрытий. Однако, задача не так проста, как может показаться. Все конструкции смоделированы со сложными передаточными отношениями n=3.75, n=3.57 и n=3.82. Разница совсем небольшая - а какой разный результат! Компания АЛЬФАВАК обладает всеми необходимыми компетенциями для проектирования сложного вакуумного технологического оборудования с учётом многих нюансов конструкции.

Важно понимать, что по каждому пункту может быть предложен ряд различных решений, исходя из вашей технологической задачи. Специалисты компании АЛЬФАВАК помогут проработать комплектацию под вас, чтобы на выходе вы получили именно тот продукт, который будет отвечать предъявляемым требованиям, а коэффициент отдачи вложений Заказчика будет стремиться к 100%.