Вакуумная технологическая система для осаждения тонкопленочных комбинированных покрытий

Полезная модель относится к вакуумным технологическим системам для осаждения тонкопленочных комбинированных покрытий, а более конкретно к системам для нанесения алмазо-подобных покрытий (АПП) на элементы германиевой оптики диаметром до 500 мм. Система состоит из вакуумной камеры 1, механизма ввода и вращения технологической оснастки 2, технологической оснастки 3, низкоэнергетического ионного источника 5, системы вращающихся масок (модулятора) 6, привода модулятора 7, графитового катода 16, привода вращения графитового катода, 8 вытягивающего соленоида 9, фильтра-ловушки «тяжелых» ионов 10, сепаратора 11, анодов 12, оптического ввода 14, отклоняющего соленоида 15, корпуса импульсно-дугового испарителя 17, импульсного YAG лазера 18, поворотно-фокусирующей системы 19, устройства шагового перемещения 20 поворотно-фокусирующей системы 19, при этом, сепаратор 11 представляет собой плазменный фильтр, поворачивающий плазменный поток на 30° и представляет собой систему внешнего отклоняющего и вытягивающего соленоидов постоянного тока. Технический результат: расширение технологических возможностей метода нанесения АПП на германиевые элементы - импульсно-дугового с лазерной инициацией дуги, что дает возможность резко уменьшить поглощение АПП в отличие от аналогичного покрытия, нанесенного CVD либо PCVD методом за счет увеличенного количества SP ₃-связей, т.е. максимально приближенного к алмазному покрытию. При одностороннем нанесении АПП на германиевые элементы поглощение на 6% меньше чем в покрытиях нанесенных CVD либо PCVD методом. 2 ил.

Полезная модель относится к вакуумным технологическим системам для осаждения тонкопленочных комбинированных покрытий, а более конкретно к системам для нанесения алмазо-подобных покрытий (АПП) на элементы германиевой оптики диаметром до 500 мм.

В настоящее время промышленным производством установок для нанесения АПП методами, основанными на физическом осаждении и его модификациях, занимается ряд компаний, расположенных как в странах СНГ, так и странах Западной Европы.

Отдельно из них стоит выделить предприятия, расположенные на территории Республики Беларусь: ЧНПУП «ВТЛСЗОС», ЧНПУП «Технологии и Предложения»; а также немецкие фирмы «Leybold Optics GmbH» и «VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH».

Предприятие ЧНПУП «Технологии и Предложения» предлагает оборудование для нанесения АПП PVD-методом (вакуумное напыление) со следующими основными характеристиками:

микротвердость покрытия - 20÷50 ГПа;

толщина покрытия - 0,1÷2,0 мкм;

степень пропускания - до 88%.

диаметры вакуумных камер предлагаемых установок - 500 мм;

основные агрегаты - форвакуумные и турбомолекулярный насосы.

«VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH» занимается выпуском оборудования для нанесения АПП PVD-методом. Основные характеристики представлены ниже:

размеры вакуумных камер - от 700 до 2000 мм в диаметре;

рабочая площадь (максимальная площадь покрываемых изделий) - 150 дм² для диаметра камеры 1650 мм; 240 дм² для диаметра камеры 2000 мм;

толщина наносимых покрытий - от 0,3 до 1,7 мкм;

основные агрегаты - форвакуумные и криогенные насосы различной

производительности (в зависимости от диаметра вакуумной камеры).

Нами предлагается PVD-метод основанный на импульсно-дуговом методе. Это означает максимальный процент sp3-связей, что уменьшает поглощение, а также увеличивает механическую прочность. При этом скорость нанесения может достигать 0,5 мкм/ч

Установка обеспечивает возможность нанесения АПП на подложки больших размеров - до 500 мм в диаметре.

Толщина наносимых покрытий может достигать 1,6÷1,9 мкм, микротвердость - не менее 55 ГПа.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлен поперечный разрез необходимого оборудования для реализации метода.

Вакуумная технологическая система для осаждения тонкопленочных комбинированных покрытий (нанесения АПП на элементы германиевой оптики диаметром до 500 мм) (Фиг. 1 и 2) состоит из:

- Вакуумной камеры 1;

- Механизма вращения технологической оснастки 2;

- Технологической оснастки 3;

- Фланца низкоэнергетического ионного источника 4;

- Низкоэнергетического ионного источника 5;

- Системы вращающихся масок (модулятора) 6;

- Привода модулятора 7;

- Привода вращения графитового катода 8;

- Вытягивающего соленоида постоянного тока 9;

- Фильтра-ловушки «тяжелых» ионов 10;

- Сепаратора 11;

- Анодов 12;

- Фланца оптического ввода 13;

- Оптического ввода 14;

- Отклоняющего соленоида постоянного тока 15;

- Графитового катода 16;

- Корпуса импульсно-дугового испарителя 17;

- Импульсного YAG лазера 18;

- Поворотно-фокусирующей системы 19;

- Устройства шагового перемещения 20 поворотно-фокусирующей системы 19;

- Ввода вращения технологической оснастки 21;

Поз. 22 это расстояние, на котором лазер с помощью поворотно-фокусирующей системы «стреляет» по катоду. Выстрел лазера по катоду вызывает некоторое испарение материала, сопротивление разрядного промежутка падает, и тут разряжается емкостной накопитель. Именно его разряд вызывает испарение материала катода. Перемещение лазера по катоду можно задавать с помощью двух параметров - изменением самой скорости перемещения поворотно-фокусирующей системы и/или частоты выстрелов лазера. Т.е изменением по соответствующему закону формируется заданная равномерность наносимого покрытия

Поз. 23 - лазерный луч

Импульсный дуговой испаритель 17 имеет лазерную систему инициализации дугового разряда 18 оснащенную устройством шагового перемещения 20 точки фокусировки на поверхности катода на расстояние (22) 100 мм. Между катодом 16 (диаметр катода 120 мм, длина 120 мм) и анодом 12 источника, гальванически соединенных с накопителем электрической энергии - батареей конденсаторов емкостью 2000 мкФ, изначально создана разность потенциалов 300-350 В. Луч лазера 23 направляется через поворотно-фокусирующую систему 19, оптический ввод 14 и фокусируется на поверхности катода 16. Вследствие абляции повышается проводимость промежутка катод 16 - анод 12. По мере нарастания тока разряда на поверхности катода возникает катодное пятно (пятна) дугового разряда, ток разряда при этом лавинообразно возрастает. Из катодного пятна испаряется материал катода (углерод), при этом поток паров сильно ионизирован. Разряд имеет длительность около 100 мкс, длительность разряда определяется емкостью накопителя и суммой электрических сопротивлений разрядного промежутка и соединения накопитель - разрядный промежуток. По завершении разряда оптическая система лазерной инициализации 19 за счет горизонтального перемещения зеркала (повортно-фокусирующей системы 19) фокусирует импульс излучения в точке поверхности катода 16 отстоящей на 1 мм от предыдущей. Цикл разряда повторяется.

Плазменный фильтр поворачивает плазменный поток на 30° и представляет собой сепаратор 11, отклоняющего соленоида 15 и вытягивающего соленоида 9. Соленоиды 9 и 15 питаются постоянным током. Катод 16 и анод 12 источника гальванической связи с корпусом испарителя не имеют. Катод 16 подключается к накопителю непосредственно, анод напрямую на корпус испарителя 17. На стенке сепаратора, расположенной в прямой видимости катода размещен изолированный от корпуса фильтр-ловушка 10 с развитой поверхностью для предотвращения попадания «тяжелых» частиц в камеру установки вследствие упругого столкновения со стенкой корпуса сепаратора.

Новизна данного решения нанесения алмазо-подобных покрытий на германиевые оптические элементы диаметром до 500 мм заключается, прежде всего, в отказе от поворота плазменного потока на угол 90° обоснованная тем, что в большом числе приложений глубокая сепарация потока ионов не требуется. Предложенная конструкция источника позволяет работать как на условно прямом потоке плазмы (условно - потому что в любом случае сепарация по массе ионов будет иметь место) практически без потери производительности, так и получать достаточно однородный по массе поток ионов углерода в камере системы, но с пониженной производительности. Это решение является компромиссным и ориентировано в основном на применение в промышленных вакуумных системах. Также применена горизонтальная компоновка лазерной системы инициализации дугового разряда 18, т.е. перемещение поворотно-фокусирующей системы 19 происходит в горизонтальной плоскости на расстояние 100 мм, за счет этого происходит перемещение зоны испарения углерода из поверхности катода, что позволяет значительно улучшить равномерность нанесения АПП на германиевые элементы диаметром до 500 мм и большой кривизной. Для увеличения зоны и равномерности нанесения АПП служит система вращающихся масок (модулятора) 6. Однако самым значительным достижением служит сам метод нанесения алмазо-подобных покрытий на германиевые элементы - импульсно-дуговой с лазерной инициацией дуги, что дает возможность резко уменьшить поглощение АПП в отличие от аналогичного покрытия, нанесенного CVD (химическое осаждение из газовой фазы) либо PCVD (плазмохимический метод осаждения) методом за счет увеличенного количества SP₃-связей, т.е. максимально приближенного к алмазному покрытию. При одностороннем нанесении алмазо-подобных покрытий на германиевые элементы поглощение на 6% меньше чем в покрытиях нанесенного CVD либо PCVD методом.

Для обработки поверхности образцов перед осаждением покрытия, а также для модификации пленки в процессе работы в систему введен низкоэнергетический (50-150 эВ) ионный источник 5. Ионный источник 5 представляет собой вариант исполнения торцевого Холловского ускорителя с прямонакальным катодом.

Оптические свойства АПП делают перспективным их применение для защиты и просветления оптических элементов из германия, кремния, селенида цинка. К таким элементам могут быть отнесены окна ИК систем, работающих в условиях повышенной запыленности внешней среды и морского тумана, приборы ночного видения, прицелы, дальномеры и многие другие. В связи с тем, что АПП достаточно прозрачны в видимом диапазоне излучения, представляется возможным их применение для защиты и просветления элементов солнечных батарей на основе аморфного гидрогенезированного кремния.

Вакуумная технологическая система для осаждения тонкопленочных комбинированных покрытий, содержащая вакуумную камеру, механизм ввода и вращения технологической оснастки, низкоэнергетический ионный источник, модулятор вращающихся масок, привод модулятора, графитовый катод, привод вращения графитового катода, фильтр - ловушку "тяжелых" ионов, сепаратор, аноды, оптический ввод, корпус импульсно-дугового испарителя, импульсный YAG лазер, поворотно-фокусирующую систему с устройством ее шагового перемещения, отличающаяся тем, что сепаратор выполнен в виде плазменного фильтра, поворачивающего плазменный поток на 30°, и системы внешнего отклоняющего и вытягивающего соленоидов постоянного тока.