modułowa komora technologiczna do realizacji procesów pvd

4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
MODUŁOWA KOMORA TECHNOLOGICZNA
DO REALIZACJI PROCESÓW PVD
Szymon ZACHARSKI, Tomasz SAMBORSKI, Andrzej ZBROWSKI
Najintensywniej rozwijającym się kierunkiem badań
w inżynierii powierzchni jest nanoszenie cienkich powłok
na powierzchnie robocze narzędzi i elementów konstrukcyjnych. Jest to spowodowane nieustannym wzrostem
wymagań jakości i niezawodności maszyn, urządzeń
oraz narzędzi [2, 5].
Powłoki pozwalają na spełnienie surowych wymogów
ekologicznych, ekonomicznych i technicznych, zwiększają produkcyjność, jakość wyrobów, zmniejszają koszty
produkcji, zwiększają niezawodność, pozwalają na stosowanie większych obciążeń, zmniejszają straty powodowane przez tarcie. Podnoszą wydajność narzędzi do
wykrawania, obróbki plastycznej i skrawaniem oraz elementów na odlewy ciśnieniowe [1,6].
W celu wytworzenia kompozytowej warstwy powierzchniowej o właściwościach nieosiągalnych przez
zastosowanie tylko jednej ze znanych technologii obróbek powierzchniowych stosuje się powłoki wielowarstwowe.
Najpopularniejszą metodą nanoszenia cienkich
warstw powierzchniowych jest metoda PVD (Physical
Vapour Deposition). Elementy, na które nanoszona jest
powłoka, umieszczone są w warunkach wysokiej próżni
w specjalistycznej komorze, a cienkie warstwy powstają
na elemencie pokrywanym w wyniku kondensacji atomów uwalnianych w wyniku procesu odparowania ze
źródła parowania [3, 4].
Budowa stanowiska technologicznego
Podstawowym elementem stanowiska jest komora
próżniowa w kształcie graniastosłupa o podstawie heksagonalnej. Komorę zamyka wymienna ściana przednia
pozwalająca zmieniać objętość roboczą komory. Dla
standardowej ściany przedniej ograniczona jest ona wymiarami φ 700x700 mm, co umożliwia stosowanie wsadów o dużej masie.
Ściana przednia i ściany komory próżniowej wykonane są z dwóch warstw blachy nierdzewnej, tworząc
płaszcz, przez który przepływa czynnik chłodzący lub
ogrzewający. Na drzwiach i bocznych ścianach komory
umieszczone są wielkogabarytowe przyłącza technologiczne, służące do zainstalowania za pomocą odpowiednich adapterów źródeł plazmy magnetronowych lub
łukowych. Osie symetrii tych przyłączy są zogniskowane
w centralnym miejscu komory, dzięki czemu możliwe jest
zamontowanie różnych źródeł plazmy i wytworzenie plazmy złożonej.
Oprócz wymienionych wcześniej przyłączy, na ścianie
przedniej znajdują się dwa, na bocznej jedno oraz na gór-
nej dwa przyłącza DN100 ISO, przystosowane do montażu specjalistycznych przyrządów, takich jak pirometry, manipulatory czy wzierniki. Połączenie kołnierzowe
φ 400 mm umieszczone z tyłu komory umożliwia podłączenie zespołu pomp próżniowych.
Widok modelu komory próżniowej wraz z osprzętem
technologicznym przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Model modułowej komory technologicznej do realizacji
procesów PVD: 1 – komora próżniowa, 2 – wymienna ściana
przednia komory, 3 – podstawa, 4 – zespół rozdziału wody,
5 – kolektor zasilający, 6 – kolektor powrotny, 7 – blok przyłączy, 8 – przyłącze zespołu pomp próżniowych, 9 – manipulator
ze śluzą 10 – pirometr z układem pozycjonującym, 11 – układ
napędowy obrotnika planetarnego, 12 – zespół przygotowania
gazów technologicznych
W ścianie górnej komory nad każdym oknem umieszczone są króćce przeznaczone do podłączenia światłowodów umożliwiających analizę spektralną i kontrolę
składu plazmy generowanej przez źródło umieszczone
w oknie. Ponadto w suficie komory umieszczono przepusty próżniowe wysokoprądowe (rys. 2) oraz przyłącze
przesłony obrotowej z napędem.
Rys. 2. Model przepustu próżniowego wysokoprądowego
16
TiAM_4_2012.indd 16
2012-11-08 12:05:04
Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2012
W dnie komory usytuowane jest przyłącze przepustu
obrotowego oraz króciec doprowadzający do komory
gazy technologiczne przygotowane przez zespół przygotowania gazów 12. Ponadto w komorze znajdują się
króćce służące do podłączenia innej aparatury pomiarowej i technologicznej, takiej jak spektrometry mas, próżniomierze czy sondy elektryczne.
Do ścian komory przymocowane są bloki przyłączy
elektrycznych i wodnych 7, umożliwiające podłączenie
obiegu czynnika chłodzącego oraz zasilania i sygnałów
sterujących do poszczególnych modułów technologicznych.
Komora umieszczona jest na podstawie 3 posadowionej na czterech wibroizolatorach talerzowych. W podstawie umieszczono zespół przygotowania gazów technologicznych 12, zespół napędowy obrotnika 11, zespół
rozdziału wody 4 z kolektorem zasilającym 5 i powrotnym 6.
Układ rozdziału wody służy do wymiany wody z gorącej na zimną w zależności od etapu procesu technologicznego. Moduł odpowiedzialny jest za odprowadzenie
nadmiaru ciepła z komory i modułów technologicznych
oraz doprowadzenie ciepła podczas zapowietrzania,
a także oraz załadunku pokrywanych elementów do komory.
Woda z układu rozdziału dostarczana jest do kolektora zasilającego. Sterowanie przepływem odbywa się
za pomocą zaworów elektromagnetycznych. Zastosowane rotametry umożliwiają kontrolę natężenia przepływu
wody przepływającej przez każdy z obwodów, takich jak
obwód chłodzenia komory, ściany przedniej, źródeł plazmy, przepustu wysokonapięciowego.
Pomiar temperatury detali znajdujących się wewnątrz
komory podczas procesu osadzania powłoki dokonywany jest bezstykowo za pomocą pirometru 10. Okno
próżniowe umieszczono daleko od obszaru plazmy,
w celu zmniejszenia błędu pomiaru spowodowanego
osadzaniem się par metali na oknie. Konstrukcja pirometru umożliwia pomiary w zakresie kątowym ±30º w stosunku do osi przyłącza (rys. 3).
Aby ułatwić operatorowi kontrolę pracy stanowiska,
do komory zamocowano wziernik umożliwiający szybką
kontrolę wizyjną procesów zachodzących w komorze.
Uchwyt służy do obrotu przesłony chroniącej okno wizyjne przed osadzaniem się warstw nanoszonych pierwiastków (rys. 4).
Elementy pokrywane w zależności od rodzaju procesu
muszą być ogrzewane do temperatury przekraczającej
niejednokrotnie 500°C. W tym celu skonstruowano oporowy układ grzejny przedstawiony na rys. 5.
Atomy metali, które podlegają odparowaniu w procesach plazmowych, oprócz powierzchni wsadu pokrywają
powierzchnie wewnętrzne komory i osprzętu, blokując
w ten sposób mechanizmy ruchome, zanieczyszczając
okna inspekcyjne, układy pomiarowe i moduły technologiczne. Aby zapobiec temu zjawisku, opracowano zespoły przesłon ruchomych i stałych przedstawione na rys. 6.
Rys. 3. Model głowicy pirometrycznej z układem pozycjonowania
Rys. 4. Model wziernika
Rys. 5. Oporowy układ grzejny
a)
b)
c)
d)
Rys. 6. Modele przesłon ruchomych i stałych: a) – przesłona
pionowa elektrody AEGD, b) – przesłona pionowa obrotnika,
c) – przesłona pozioma źródła plazmy, d) osłona stała ściany
dolnej komory
17
TiAM_4_2012.indd 17
2012-11-08 12:05:04
4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
Na rys. 7 przedstawiono próżniowy przepust obrotowy wysokonapięciowy pozwalający na zamontowanie
w komorze obrotnika z uchwytami obrabianych detali.
W przepuście zastosowano uszczelnienie z cieczą magnetyczną, zapewniające wysoką szczelność, niezawodność i małe opory tarcia.
Manipulator load-lock przedstawiony na rys. 10 pozwala na wprowadzanie do komory i wyjmowanie obrabianych elementów z wnętrza komory próżniowej
w czasie trwania procesu (bez konieczności otwierania
i zapowietrzania komory). Dzięki temu można badać,
kontrolować i dokumentować kolejne etapy nanoszenia
powłok PVD.
Rys. 7. Model przepustu obrotowego wysokonapięciowego
Obrotnik (rys. 8) posiada mechanizm umożliwiający
planetarny ruch zamocowanych na nim elementów, zapewniając identyczne warunki ekspozycji każdego elementu na źródła odparowywanych materiałów. Możliwy jest niezależny ruch obrotowy detalu, planetarny
i obrotowy obrotnika. Jest on napędzany dwoma motoreduktorami z falownikami, umożliwiającymi płynną zmianę
prędkości obrotowej w zakresie 0,1 – 10 obr/min.
Rys. 10. Model manipulatora load-lock
Podsumowanie
Zastosowanie w konstrukcji standardowych kołnierzy
i przyłączy umożliwia rozwój stanowiska przez dodawanie nowych modułów i aparatury badawczej. Konstrukcja urządzenia umożliwia przez zmianę modułów sterujących, kontrolnych i zasilających różnorodną konfigurację
układów badawczych, technologicznych i edukacyjnych.
Wszystkie przedstawione zespoły zostały zaprojektowane w Instytucie Technologii Eksploatacji.
LITERATURA
Rys. 8. Obrotnik planetarny
Rys. 9. Model zespołu przygotowania gazów technologicznych
Zespół przygotowania gazów technologicznych
(rys. 9) jest odpowiedzialny za dostarczenie do komory
próżniowej mieszanki gazowej złożonej z czterech rodzajów gazów: acetylenu, argonu, azotu i wodoru. Składem
mieszanki sterują regulatory przepływu gazu typu MKS.
1. Kozioł S., Samborski T., Brudnias R., Smolik J., Walkowicz J.: Nowoczesne konstrukcje komór próżniowych dla technologii PVD. Problemy Eksploatacji,
nr 3/2004.
2. Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni
metali – podstawy, urządzenia, technologie. WNT,
Warszawa 1995.
3. Samborski T., Kozioł S., Matecki K.: System wymiany i pozycjonowania podłoży w urządzeniach PVD/
CVD. Problemy Eksploatacji, nr 2/2008.
4. Przybylski J., Majcher A.: Modułowe stanowisko badawcze do procesów PVD pozwalające na wdrażanie nowatorskich technologii inżynierii powierzchni.
Problemy Eksploatacji, nr 3/2011.
5. Mazurkiewicz A.: Nanonauki i nanotechnologie –
stan i perspektywy rozwoju. ITeE-PIB, 2007.
6. Miernik K., Walkowicz J., Smolik J., Bujak J., Brudnias R., Słomka Z.: Budowa i działanie wieloźródłowego urządzenia do nakładania powłok metodami
PVD. Problemy Eksploatacji, nr 4/2000.
_______________________
Dr inż. Tomasz Samborski, dr inż. Andrzej Zbrowski i mgr
inż. Szymon Zacharski są pracownikami Instytutu Technologii Eksploatacji – Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu.
18
TiAM_4_2012.indd 18
2012-11-08 12:05:05