Состав оборудования для нанесения покрытий в вакууме

К вакуумному оборудованию предъявляются следующие требования:

- высокая скорость откачки газов из рабочей камеры;

- минимальный обратный поток паров из вакуумных насосов в камеру;

- разборность установки для удобства эксплуатации;

- высокая производительность при групповой обработке подложек.

Вакуумные установки для нанесения тонких пленок разнообразны по конструкции, однако имеют ряд общих элементов. Промышленностью выпускаются вакуумные установки разных моделей, отличающиеся устройством внутрикамерной оснастки, степенью автоматизации и оснащенностью аппаратурой для измерения параметров технологического процесса.

Одним из важнейших параметров вакуумных установок является производительность Q, которая при их бесперебойной работе определяется количеством изделий (подложек), обрабатываемых в единицу времени (шт/ч.)

, (11.1)

где - время технологического воздействия на подложку (рабочее); - вспомогательное (холостое) время.

Рабочее время складывается из времени предварительного нагрева подложки , времени нанесения пленки и времени охлаждения подложки перед разгерметизацией камеры:

. (11.2)

Холостое время складывается из времени напуска воздуха в рабочую камеру и ее открытия , времени загрузки подложек и времени откачки рабочей камеры :

. (11.3)

Рабочее время определяется особенностями технологического процесса и не может быть уменьшено. Поэтому для повышения производительности установок сокращают, а в некоторых случаях и совмещают составляющие, входящие в холостое время.

В зависимости от вида производства, а также требований производительности различают три типа установок:

- периодического действия, используемые в мелкосерийном производстве и для отработки технологических процессов;

- полунепрерывного действия, используемые в серийном производстве с относительно частой сменой технологического процесса;

- непрерывного действия, используемые в крупносерийном и массовом производстве.

Основными системами и устройствами вакуумного оборудования являются:

- вакуумная система (камера, насосы, фланцы, трубопроводы, уплотняющие элементы, затворы, клапаны, вентили, вакуумные реле, натекатели, ловушки, азотные питатели);

- устройства для генерации потоков наносимого вещества;

- устройства для ионной очистки;

- система контроля параметров техпроцесса и управления режимами работы установки (приборы для измерения вакуума, скорости осаждения, толщины пленок, температуры испарителей и подложек, аппаратура для автоматического управления процессом откачки);

- транспортирующие устройства (арматура для вращения подложек, перемещения испарителей и распылителей, шлюзовые устройства);

- системы электропитания, гидро - и пневмосистемы;

- газовая система (клапаны, натекатели, расходомеры, смесители, редукторы);

- вспомогательные устройства (нагреватели, охладители, экраны, заслонки, дозаторы и т.п.);

- микроконтроллеры, микро-ЭВМ.

На рис.11.1 приведена структурная схема установки вакуумного напыления.

Основным элементом установки вакуумного напыления (УВН) является вакуумная камера. В течение многих лет в качестве стандартной камеры использовался цилиндрический стеклянный или стальной колпак. Таким колпаком до настоящего времени снабжаются несложные и недорогие установки, предназначенные для простейших видов покрытий. Разновидностью подъемного колпака является откидной колпак уменьшенной высоты, используемый обычно в установках катодного и магнетронного распыления, где расстояние источник-подложка выбирается минимальным. Современный подход к построению УВН определяется необходимостью жесткого технологического контроля хода процессов, высокой производительностью и удобством обслуживания. Универсальные УВН последних лет выпуска имеют просторную камеру кубической или полуцилиндрической формы с определяющим размером (диаметром или высотой) от 0,5 до 1,5 м. Размеры двери камеры, равные по площади ее максимальному сечению, позволяют без препятствий загружать в установку различные изделия. "Шкафной" тип конструкции камеры позволяет, во-первых, перенести откачной патрубок на боковую стенку и увеличить его диаметр, что повышает скорость откачки; вынос откачного агрегата из-под станины камеры устраняет ограничение на его размеры и тип. Во-вторых, появляется возможность использовать дефицитную площадь под днищем камеры для размещения дополнительных испарителей, токовводов и вводов вращения, окон фотометрического контроля, ИК-излучателей и т.п. В боковых стенках помимо фланца откачки размещают и подачу технологических газов, датчиков. В двери устанавливают одно или несколько смотровых окон с устройствами, уменьшающими степень их запыления. В верхней части камеры обычно располагается ввод вращения подложкодержателей, манометрические вводы, вводы нагрева и охлаждения.

Для нанесения покрытий на широкоформатные подложки, например на оконные стёкла, лавсановую ленту и т.п., используются прямоугольные камеры «in line» с вертикальным или горизонтальным расположением, имеющие большие длину и ширину (до 10-15 м) и небольшую высоту (около 0,1 м). Они, как правило, снабжены шлюзовыми устройствами и устройствами перемещения подложек конвейерного типа.

Большинство процессов нанесения покрытий требует создания в технологическом объеме камеры вакуума порядка 10^-4-10^-5 Па. С учетом значительных объемов камер (200-1000 л и более) для его получе­ния и поддержания в условиях больших потоков десорбции и напускаемых технологических газов необходима достаточно мощная система вакуумной откачки. Условия вакуумной гигиены в рабочей зоне УВН, необходимость максимально чистого вакуума в камере, минимума шума и вибраций обуславливают жесткие требования к конструкции и параметрам системы вакуумной откачки.

Основным средством получения вакуума остается агрегат на основе механического вращательного насоса (или комбинации вращательных насосов), па-

Рисунок 11.1 - Структурная схема установки вакуумного напыления

ромасляного диффузионного насоса и шевронной ловушки, охлаждаемой проточной водой, холодильным реагентом или жидким азотом. Подобными системами оснащается до 90% моделей выпускаемых установок. В них используются паромасляные насосы с быстротой откачки от 250 до 15000 л/с при диаметре откачного патрубка вакуумной камеры от 300 до 800 мм. Приблизительно в одной трети УВН предусмотрена возможность комплектации установки по заказу потребителя турбомолекулярным, криогенным или ионно-сорбционным насосами.

Стыковка вакуумных элементов системы с камерой и между собой в современных установках осуществляется, как правило, малогабаритными фланцами по стандартам ИСО, которые просты в изготовлении и имеют уменьшенный наружный диаметр, что может оказаться очень важным в условиях недостатка пространства. Для крепления таких фланцев используются быстроразъемные соединения с накидным хомутом или с зажимными скобами.