III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
УСТАНОВКА ТЕРМОВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ ИЗМЕРИТЕЛЕМ РАЗРЕЖЕНИЯ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Цель данного проекта– выполнить работу по созданию вакуумной установки для термического напыления (на подложки) тонких плёнок из различных материалов. Технология термического нанесения плёнок в вакууме часто применяется при производстве полупроводниковых компонентов. Так как выбранная тема объёмна, то она разбита на отдельные части, которые должны быть решены поэтапно. Изготовленная установка должна позволять изучать основы вакуумной техники, процессы испарения и конденсации материалов в вакууме, процесс зародышеобразования и рост плёнок. А в дальнейшем предусматривается исследование структурных свойств получаемых образцов.
Задачей первого этапа было: а) ознакомление с основными необходимыми теоретическими вопросами, б) разработка и изготовление блока питания прямонакального испарителя для будущей установки, учитывая технические требования, необходимые для обеспечения работы изделия в строго определённом режиме. Задача второго этапа – изучение основ вакуумной техники, разработка форвакуумной магистрали для установки термовакуумного напыления с микропроцессорным измерителем разрежения и изготовление действующей модели вакуумметра.
Объект исследования – разрабатываемая модель вакуумметра для изготавливаемой установки и аналог – демонстрационная действующая модель вакуумметра. Предмет исследования – технические характеристики изготавливаемых моделей вакуумметров.
Гипотеза – возможность создания вакуумметра для установки на базе имеющейся элементной базы.
Методы работы – изучение теоретических сведений, проведение расчётов и экспериментов, относящихся к конструкторской деятельности. Изготовление действующих моделей, тестирование их работы. Внесение необходимых корректировок.
Новизна работы: помимо авторской модели блока питания (первый этап) разработана модель форвакуумной магистрали (второй этап) для установки термовакуумного напыления с микропроцессорным измерителем разрежения (вакуумметром). Также изготовлена демонстрационная модель вакуумметра (что актуально при изучения основ производства микроэлектроники).
2. Обоснование целей, задач и перспектив данного проекта
Интенсивное развитие метода испарения и конденсации в вакууме за последние годы обусловлено универсальностью технологии, высокой производительностью процесса нанесения покрытий, малой энергоёмкостью и рядом других преимуществ по сравнению с традиционными методами получения покрытий различного функционального назначения (гальваническим осаждением, плазменным напылением, катодным распылением и т. д.). Одно из основных преимуществ метода испарения и конденсации в вакууме – экологически чистая технология.
Постоянно возрастающие потребности промышленности и разнообразие номенклатуры металлизируемой продукции обусловили появление широкого класса специальных вакуумных установок, предназначенных для решения конкретных производственных задач – металлизации рулонных и полосовых материалов, нанесение защитных, износостойких, декоративных покрытий на металлические и неметаллические материалы, изготовление различных плёночных элементов электронной техники.
Таким образом, для данного проекта была выбрана актуальная тема, требующая своего развития в течение долгого времени.
ОБЩАЯ СТРУКТУРА РАБОТЫ (С УЧЁТОМ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ПЕРСПЕКТИВЫ)
1. Изучение теоретического материала из курса общей физики (тепловые явления, действия электрического тока и т.п.). Рассмотрение специальных вопросов о резистивном испарении веществ (металлов и неметаллов) в вакууме.
2. Рассмотрение возможностей использования резистивного напыления в создаваемой установке.
3. Разработка конструкции установки в целом и конкретных узлов, в частности.
4. Проведение тестирования полученных узлов для выявления конструкторских недочётов, неудачно выбранных материалов и т.д. с целью модернизации установки и улучшения её технических характеристик.
5. В дальнейшем предполагается на собранной установке проводить эксперименты по напылению плёнок и проведение исследований полученных образцов на электронном микроскопе и другом аналогичном оборудовании в Центре коллективного пользования (ЦКП) в Северо-Осетинском государственном университете.
При создании малогабаритной вакуумной установки для термического напыления плёнок задачей является создание: блока питания прямонакального испарителя установки (первый этап), вакуумной магистрали и опорной плиты с токовводами (второй этап), напыление плёнок (третий этап).
3. Теоретическая часть
. 3. 1. Используемые теоретические сведения из физики
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Концентрация - количество частиц в единице объёма.
Плотность вещества – физическая величина, равная отношению массы вещества к его объёму. .
Давление – величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.
Паскаль – единица давления. Давление, которое производит сила в 1 Н, действующая на поверхность площадью 1 м2 перпендикулярно этой поверхности.
1 мм рт. ст. = 133,3 Па
Нормальное атмосферное давление6 101300 Па = 760 мм рт. ст. ≈ 105 Па.
Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда [1, 2].
Парциальное давление газа - давление каждого газа отдельно, для смеси.
Длина свободного пробега– расстояние, которое пролетит частица до столкновения.
Вакуум – уже давно его описывают не как пустоту (пространство без вещества), а используют понятие «длина свободного пробега» молекул газа. То есть в качестве характеристики используют расстояния, которое пролетает частицы до столкновения. В прикладной физике – это газ, находящийся при давлении намного ниже атмосферного. В данном проекте рассматривается так называемый технический вакуум. При этом важны линейные размеры сосуда. Рис. 1, 2. Идеальный вакуум в таких условиях, конечно, недостижим, так как даже толстые стенки из металлов или стекла пропускают газы извне. Кроме того, у материалов существует ненулевая плотность насыщенных паров.
Форвакуум – предварительное разрежение (низкий вакуум) создают форвакуумные насосы. Давление около 1 мм рт. ст. и число частиц в 1 см3 составляет 1016. Высокий вакуум: р = 10-5 мм рт. ст. и число молекул в 1 см3 составляет 1011. Сверхвысокий вакуум: р =10-9 мм рт. ст. и ниже. Дальний космос: р =10-16 мм рт. ст. и ниже, 1 молекула в 1 см3 [3].
Адсорбция – увеличение концентрации вещества у поверхности Абсорбция– поглощение вещества всем объёмом. Десорбция – процесс обратный адсорбции.
3.2. Вакуумные насосы. Общая характеристикаВакуумные насосы делят на высоковакуумные и низковакуумные. По физическому принципу действия их делят на механические, сорбционные, ионные. Механические насосы бывают объёмные и молекулярные. Насосы объёмного типа осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры.
Среди насосов с передачей количества движения от движущихся поверхностей молекулам газа различают: водоструйные, диффузионные, молекулярные и др. Их характеристики рассчитывают на основе закономерностей внутреннего трения в газах.
Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление [4]. Рис. 3 – насосы.
3.3. Приборы для измерения полного давления разреженного газа (вакуумметры)
Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами.Обычно онисостоят из манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.
Понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило смысл. В вакуумной технике почти нет процессов, которые определялись бы проявлением газа как усилием на единицу поверхности. Более важными характеристиками газовой среды становятся плотность и молекулярная концентрация газа.
Рассмотрим некоторые типы вакуумметров [5] .
Жидкостные - непосредственно измеряют давление. Компрессионные – их действие основано на законе изотермического сжатия идеального газа. Деформационные – где в качестве чувствительного элемента используют сильфон или мембрану и деформация элемента служит мерой давления.Тепловые– используется зависимость теплопроводности газа от давления. Они подразделяются на термопарные и вакуумметры сопротивления. Рис. 4 а – ПМТ-2 (преобразователь манометрический термопарный). Ионизационные – используется ионизация газа. Рис. 4 б – ПМИ -2. Приборы этого класса также подразделяется на отдельные виды. Например, электроразрядные. Принцип действия – зависимость параметров разряда в газе от давления. Рис.4в – ПММ-32 (преобразователь манометрический магнитоэлектрический). Давления, измеряемые вакуумметрами, в таблице 2.
3.4. Основное уравнение вакуумной техники
Из опытов получено, что эффективная быстрота откачки объекта S0 (или эффективная быстрота откачки насоса) обычно значительно меньше быстроты действия насоса SH. Уравнение, связывающее эффективную 'быстроту откачки объекта So,быстроту действия насоса SH и проводимость вакуумного трубопровода U, –это основное уравнение вакуумной техники:
Анализ уравнения показывает, что, если проводимость трубопровода системы значительно больше быстроты действия насоса, то эффективная быстрота откачки объекта зависит только от насоса, и, наоборот, если проводимость трубопровода гораздо меньше быстроты действия насоса, то эффективная быстрота откачки приблизительно равна проводимости трубопровода и мало зависит от быстроты действия насоса [6].
4. Практическая часть.
Последовательность изготовления установки термовакуумного напыления функциональных покрытий.
4.1. Регулируемый блок питания (первый этап)
Блок питания предназначен для плавного регулирования температуры прямонакального резистивного испарителя из молибденовой фольги с загруженным в него материалом, подлежащим термическому испарению в вакууме [7]. Блок обеспечивает плавную регулировку напряжения от 0 до 10 В при силе тока до 100 А. Он позволяет регулировать температуру испарителя, что необходимо для испарения в вакууме веществ с различной температурой испарения. За основу конструкции был взят регулируемый лабораторный блок питания китайского производства модели ELEMENT 1502 DD. Использованы: корпус с органами управления и цифровой вольтметр. Все остальные элементы удалены. Была разработана схема регулируемого блока питания на силу тока до 100 А. Внешний вид блока – рис. 5. Принципиальная схема блока –рис. 6.
Особенности конструкции
Так как блок должен плавно регулировать значительную силу тока и стабильно работать несколько циклов испарения подряд, не перегреваясь, в его конструкции учтены специальные требования: 1) сечение выходных и внутренних соединительных проводов 16 мм2, 2) минимальная длина внутренних проводов, 3) значительная площадь и масса радиаторов, 4) мощный силовой трансформатор, 5) вентиляторы принудительного охлаждения.
Также блок должен быть по возможности компактным с приемлемым весом, простым и легким в управлении. Электроника и силовой трансформатор не повреждаются при случайных коротких замыканиях на выходе.
4.2. Вакуумная камера
На рис. 7 представлена вакуумная камера.
1. Опорная плита.
2. Вакуумный колпак.
3. Вакуумная магистраль.
4. Защитная сетка (предохраняет от попадания посторонних предметов в вакуумную магистраль).
5. Токовводы испарителя (массивные медные).
6. Токовводы нагревателя подложек (массивные медные).
7. Испаритель из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал)
8. Испаряемое вещество.
9. Подложка.
10. Нагреватель подложек. Нагревание необходимо и в процессе напыления, и для очистки подложек.
11. Фиксаторы подложки, позволяющие регулировать её по высоте.
12 . Уплотнитель.
Узлы вакуумной магистрали, процесс сборки и исследования– рис. 8 - 14.
Опорная плита самая сложная в изготовлении деталь, так как объединяет собой в одно целое вакуумную магистраль, силовые токовводы испарителей, слаботочные токовводы датчиков и термопар. Плита должна иметь достаточную механическую прочность, чтобы не прогибаться под атмосферным давлением, иметь низкое собственное газовыделение, быть по возможности максимально гладкой и ровной, чтобы обеспечивать герметичное прилегание купола, с прокладкой минимальной толщины. Опорная плита изготовлена в виде трёхслойного сэндвича, в котором на резьбе жестко зафиксированы все металлические элементы. Токовводы испарителей – резьба М18 х1,5 ( диаметр резьбы и шаг), слаботочные токоввводы – резьба М8х1.Верхние и нижние слои – поликарбонатные плиты толщиной 8 мм, между ними слой эпоксидной смолы. Смола герметично и механически прочно соединяет все узлы между собой в единое целое. При заливке были приняты меры, чтобы эпоксидная смола не выступала в гермозону, так как она обладает в первое время повышенным газовыделением. Использование поликарбоната и эпоксидной смолы допускается в непрогреваемых вакуумных установках (где предельный вакуум 10 -5…10 -6 Па). Прогревание используется для того, чтобы увеличить скорость десорбции газов и паров с поверхностей, находящихся в гермозоне. Это позволяет откачивать камеру быстрее и до более глубоких значений вакуума.
4.3. Микропроцессорный вакуумметр
В состав вакуумметра входит датчик абсолютного давления [8]. Датчик - 45.3829 используется для выдачи выходного напряжения в зависимости от изменения давления рабочей смеси во впускной системе двигателя. Схема вакуумметра – рис. 15. Изготовленная модель микропроцессорного вакуумметра на рис. 16 а, . Показания выводятся на жидкокристаллический дисплей.
Технические характеристики датчика:
Диапазон измерения: 20... 105 кПа
Номинальное напряжение: 5 В
Соответствующее выходное напряжение: 0,4... 4,65 В
Ток потребления: 15 мА
4.4. Описание работы программы ВАКУУММЕТР.
В первых строках программы описывается тип используемого микроконтроллера ATMEGA 8A. Указывается тактовая частота 8МГц.
Далее объявляются переменные. Их три. В переменной «VAK» хранятся данные, принятые с датчика абсолютного давления 45.3829 автомобиля ВОЛГА.
В переменной «Mm_rt_st» хранятся данные из переменной «VAK», пересчитанные в мм. рт. ст. в формате числа с плавающей точкой.
В переменной «Paskal» хранятся данные из переменной «Mm_rt_st», пересчитанные в Паскали, в формате числа с плавающей точкой.
Далее в программе указывается тип ЖК- индикатора и его соединение с портами микроконтроллера. Конфигурируется порт микроконтроллера на вход для приема данных с датчика абсолютного давления.
Конфигурируется аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера. Это нужно, так как с датчика абсолютного давления сигнал приходит в виде напряжения, пропорционального давлению. Аналого-цифровой преобразователь переводит это напряжение в цифровую форму для дальнейшей обработки программными средствами. Разрешаются прерывания.
В следующих строках программы создаются четыре буквы П, Б, Ш, У русского алфавита, отсутствующего в знакогенераторе примененного экземпляра ЖК - индикатора.
Очищается экран. На экран выводится заставка «ВАКУУММЕТР МБОУ СОШ 26». Через 5 секунд заставка стирается с экрана.
Очищается экран и запускается аналого-цифровое преобразование.
В верхней строке экрана появляется надпись «ММ РТ.СТ». В нижней строке надпись «ПА».
Начинается основной бесконечный цикл программы. Задержка времени 0,5 секунд. С таким интервалом будут обновляться данные на ЖК- индикаторе. Принимаются данные с датчика абсолютного давления.
Они пересчитываются в формате с плавающей запятой в мм рт. ст. и помещаются для хранения в переменную «Mm_rt_st».
Далее эти данные пересчитываются в формате с плавающей запятой в Паскали умножением на 133,32. Полученные данные перемещаются для хранения в переменную «Paskal».
После следует вывод данных на ЖК- индикатор в формате с одной значащей цифрой после запятой, чтобы не перегружать экран ненужной точностью. Затем цикл повторяется.
Полученные данные с помощью вакуумметра - таблица 3.
5.Заключение
Результатом данного проекта стало создание модели форвакуумной магистрали для установки термовакуумного напыления с микропроцессорным измерителем разрежения (вакуумметром) и изготовление действующей демонстрационной модели вакуумметра.
Создание установки является актуальной задачей, так как малогабаритная модель предназначается для лабораторных и учебных целей. В дальнейшем планируется её применение в реальных экспериментах и процессах производства. Используя различные режимы напыления, можно будет получать осаждённые слои столщинами от нанометров до сотен микрометров.
6. Литература
1. Пёрышкин А.В. Физика -7. –М.: Дрофа, 2014. – 237 с.
2. . Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика-11. – М.: Просвещение, 2010. – 366 с.
3. ru.wikipedia.org/wiki/Вакуум
4. www.heuristic.su/.../description/840/index.html
5. portal.tpu.ru/.../Юрьева А.В.
6. techeiscatel.ru/.../
7. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко, О.Н. Соловьёва.А. И. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме. – М.: Машиностроение, 1991.
8. shop.ae.ru/.../absolute_pressure_sensor_45_3829
7.ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис.1 - Движение молекулы при разной степени откачки.
Рис. 2 –Движение частиц напыляемого вещества при среднем и высоком вакууме. 1- стеклянная камера; 2, 9 - частицы, осажденные на стенку камеры;
3 - частица, осажденная на обратную сторону подложки; 4 – подложка;
5, 10 - частицы, осажденные на лицевую сторону подложки без столкновений;
6 - частица, осажденная на лицевую сторону подложки после столкновения;
7 - источник потока частиц; 8 - тень от подложки (экрана).
Рис.3 - Два ротационных форвакуумных насоса, соединённых последовательно. (Жёлтая металлическая гофрированная трубка – сильфон. )
Рис. 4 а,б, в - Ваукуумметры ПМТ- 2, ПМИ – 2, ПММ-32
Таблица 1. Области давлений, измеряемые вакуумметрами
Рис. 5 - Внешний вид регулируемого блока питания и лодочка-испаритель
Рис. 6 - Схема электрическая принципиальная блока питания
Рис.7 - Вакуумная камера
Рис. 8 - Эксперименты по отработке компоновки узлов и выработке других технических решений
Рис. 9 - Медный силовой токоввод Рис. 10 - Вакуумная магистраль в сборе
Рис. 11 - Разметка опорной плиты Рис. 12. - Установка деталей
Рис. 13 - Вид опорной плиты сбоку. Все готово к заливке эпоксидной смолы
Рис. 14 - Опорная плита со стеклянным куполом в сборе. Яркая точка - это включённый прямонакальный испаритель без загрузки.
Рис. 15 - Схема вакуумметра
Рис. 16 а, б - Демонстрационная модель вакуумметра и зарядка блока питания
Таблица 2. Показания вакуумметра
|
Показания в мм рт. ст. |
843 |
757 |
691 |
410 |
150 |
|
Показания в паскалях, Па |
112000 |
100000 |
92200 |
55000 |
20000 |
|
р мм рт. ст. рПа |
0,0075 |
0,0075 |
0,00749 |
0,007(45) |
0,0075 |