Повышение равномерности нанесения покрытий на пленочные материалы в электронно-лучевых установках

Успехи научно-технической революции последних десятилетий, обеспечившие быстрый рост эффективности промышленного производства, обусловлены, прежде всего, разраСкнкой новых техноло! ических процессов и созданием на их основе материалов и изделии с качественно новыми или сущес! венно улучшенными свойнвами Наиболее значшель-ные успехи достигнуты в области электротехнологии, что, в частности, привело к интенсивном} развитию полупроводниковой и преобразова.

IСЛЬНОЙ 1СЧНИКИ.

К числу процессов, определивших наиболее передовые направления развития техники и технологии, следует отнесш 1ехноло1 ические процессы формирования покрытий в вакууме При большом разнообразии способов реализации лих процессов все они сводяи^я к шму, чю ма! ериал покрытия в условиях достаточно высокого вакуума переводится в газовую фазу и в виде направленного потока атомов или молоку т поступает к подложке. I де п конденсируйся. образуя мокры шс В меч с с 1 см способы нанесения покрытий, состав обору тетания и приоритеты ич развития ггре.

— 111 п 11/1 /• ч /л ч! пйахл '111 о 1111'1И '11 III 1, л 11−1*1.111.11 111/1 К II.1/'111/.1−111 г* о i (v.,! i iv. v. viл)1ш1с11к,.1и1ш1. (i i нъ. и^ипл и «1114. 1 1 1: 1. }и *и.л» лилось развитие технологических процессов, обеспечивающих нанесение упрочняющих покрытий на детали машин и механизмов, на поверхности инструмент элек1ро1ехнических мокры г ий в элекфонной 1ехнике и микроэлектронике В то же время возрос интерес к таким направлениям как декоративные покрытия, покрьпия на архшекг рное спекло Изменилось содержание этого направления нанесения покрытий 1 1апример, ь декоративных покрытиях широкое применение потучило повое направление — нанесение ншрида тшана на лис! ы из нержавеющей аали 'под золото", которые используются в качестве кроветьмО-отдсточи010 материй ¡-л.

Заметно расширяется направление, связанное с нанесением низкоэмиссионных покрытий: защитных покрытий от излучений, электропроводящих покрытий, покрытий типа «Security» и др. Вновь возник интерес к развитию технологии нанесения «толстых» слоев меди на полимерные пленки для печатных плат и других электротехнических изделий.

В последнее время наметилась тенденция развития технологии нанесения покрытии специального назначения К таким покрытиям прежде всего следует отнести процессы нанесения зашитою слоя диоксида кремния на рулонного потиимидну? о пленка которая испотьзуется дтя. л гчттт «V лгтлап лтггчптшл т-» г" т.-т 'Л г" «ттат» тап гтлипл гггттттжтх <�¦ итг"*"/-**-«*"V огтгтлл пс*р V лупшл и. шио у v .иииг1 I IV/ги^. 1лиии IVуити^лмпл шширатов. Задачи, связанные с разработкой технологии и оборудования для нанесения защитного слоя диоксида кремния, диктуются потребностями развития космической отрасли.

В то же время темпы развития новых технологии и оборудования сдерживаюIся из-за 01 су 1сиши разрабоюк современно! о о"ечес1вешш1 о оборудования и средств для закупок дорогостоящего оборудования за рубежом Поэтому весьма актуальными для решения поставташых задач следом пршна! ь исследования, направленные на совершена вованпс технологии и оборудования тля нанесения покрытии в вакууме 1 rt III I nnnrfTIflltt tV ч-1 И 1 /411 ИЛТЛтЧрТП ЧЛТ U4I1 IV Г" 1 I И. I / <1 1 1 I i i i 1 11 .1 v iiv-uri j/oj.imiimA I шшо «ыршаю. nviiu-ш мш г и iiuv-iii-nmc^. opt» мя для нанесения покрытий в вакууме, особое место занимают электронно-лучевые испарительные системы. В таких устройствах материал покрытия переводится в газовую фазу путем термического испарения, осуществляемого мощными пучками электронов. Благодаря своим преимуществам, но сравнению с другими способами нанесения иокрьиий, процесс формирования покрытий путем электронно-лучевого испарения и конденсации материалов в вакууме был несколько десяшлешп назад основным методом получения высококачественных покрытий в электронике, оптике и других отрастях прсгмыштенностн Однако создание тостаточно мощных систем катодного распыления магнетронного типа привело к тому, что последние заменили электронно-лучевые испарительные уст-ройсгва в ряде технологических процессов, связанных с нанесением юн-ких (толщиной 1−2 мкм) пленок. Тем не менее, процесс электроннолучевого испарснш и конденсации материалов в вакууме по-прежнему остается наиболее эффективным способом, позволяющим с высокой производительностью получать толстые (до нескольких десятков мкм) конпаилатт «пт 1ЛЛ"|*Аг^А ^о^алтчю «V нютопчлп лтлчоплп к тли дспиинл ошьипш и 1 ои. 1? V1)1V ¦ 11V -:> п гих соединений. При этом следует отметить, что в ряде случаев процесс электронно-лучевого испарения является единственно возможным способом формирования покрытий.

Частое применение технологического процесса хлекгронно-лучевого испарения и конденсации материала в вакууме потребовало создания специальных конструкций электронно-лучевых испарительных устройств, различных по техническим данным п схемным решениям. В настоящее время накоплен большой опыт создания испарительных устройств данного типа. Разработаны методы расчета и проектирования систем формирования электронных пучков мощностью до нескольких сотен киловатт, учитывающие специфические условия работы оптических систем в установках различного технологического назначения. Создано много конструкций систем транспортировки электронного пучка, обеспечивающих его проведение от электронно-оптической системы до поверхности нагрева. Решены задачи обеспечения ма1ншною развор01а элек! ровного пучка, его отклонения и фокусировкиразработаны меюдики расчет такого типа устройств, позволяющие проектировать и реализовывать различные схемы транспортировки пучкй и создавать испарительные устройства с самыми разнообразными вариантами компоновки элементов.

В то же время мало изучены вопросы формирования толстых, до нескольких микрон, покрытий из металлов, окислов и других соединений на рулонные полимерные материалы и крупногабаритные подложки. Нельзя считать полностью решенными и вопросы создания оборудования для реализации такого процесса. Не нашли должного отражения в литературе вопросы обеспечения равномерности наносимых на движущуюся пленку покрытий. Практически отсутствуют установки, которые могут обеспечивать проведение данного технологического процесса. Однако задачи обеспечения равномерности толщины покрышн, наносимых на движу щуюся с высокими скоростями полимерную пленку, являются первоочередными При Г$ыПСКс ГОТОВОЙ ПрОД кЦИИ ПОСкОТЬнЛ определяют прОИЗ.

ПЛТТ1ГГДТТТ «ТЛЛТ» лЛлл1гттлпл"тп тт «1"г"1"алтг"л ШАТЛ/ЛП/М» ТЧ П-ШГИ т/Дп1 i о у Д/оапмл п 1ит| i п|д-д v гуппи.

Данная работа посвящена решению задач повышения равномерности покрытий, наносимых в электронно-лучевых установках на движущиеся подложки. Исследования в работе ограничены рассмотрением вопросов, связанных с нанесением покрытии диоксида кремния на движущуюся полиимидную пленку.

Целью рабош являеня ра^рабо!ка способов повышения равномерности юлщпны покрыл ий, наносимых на движущиеся полимерные пленки путем испарения и конденсации материала в вакууме на электронному чевых у ст. 1! гонках.

71ля достгшССпИя поставленной п работе были поставлены и решены следующие задачи.

— анализ состояния и уровня развития технологии, оборудования и меюдов исследования нанесения нокрьний в вакууме,.

— определение состава оборудования для нанесения покрытии на рулонные материалы п вакууме.

— разрабожа машмашческой модели процесса нансссння покрытии из диоксида кремния в даку у ме.

1-I И М /Ч П О 1 1 I 11 Л 11 'I ТКИ IIIII Лмюнггл 1-И ' 1 1.4 '1 (Ч 1' I 11 I .1,11 — I Л I I ' 1 «» '1 «1,11'тл. 111 гтА.

— 0.1ПЛ1ШЛ 1|/Г! нирапчр^о цесса формирования покрытий в вакууме на равномерность толщины покрытия в поперечном относительно движения пленки направлении;

— разрабо i к ii си с i с мы pei >лирования скорое i и движения пленки, стабилизирующей толщину формируемого покрытия в продольном относительно движения пленки направлении,.

— разрабохка ма1емашческой модели аклечы ептбилшашш юл-щйны ПОКрЫТИЯ R прОДОЛЬНОм ОТмОСИТС ТЬНО ДВИЖЕНИЯ ПТсНКи iniitrm «i ii 111 111' nUlipaD.IV.njrin.

— исследование системы стабилизации толщины покрытия в продольном относительно движения пленки направлении,.

— разработка электронно-лучевой установки и методов экспериментального исследования процесса формирования покрьпия в вакууме.

Структура работы Диссертация состоит из введения, четырех пав,.

Выводы по главе.

1. Доказано, что разработанная методика экспериментального определения толщины наносимого покрытия пригодна для исследования процессов испарения и конденсации материала в вакууме, обеспечивает точность измерения не ниже 4°о и позволяв с фебуемой для пракшки юч-ностью рассчитывать параметры элементов испарительной системы и режимы работы у становий.

2. Разработанные методики экспериментального определении динамических характеристик элементов • т е кт р о н и о -. л у:? с в о и установки лля ионалатшп гта"тт 1тч ti ««г» ^ i ahi ч ia i loxii r unii т гтлтлптлт л tautta ат г ia i"o iiunvvvni’m нилрш i riri ни p v. luiiiimw .vtat v.ptia.iui nu >dv/.isiivj i v i v^nuw i un/ iiv, ниже 5% определять параметры системы для выбора близких к оптимальным режимов работы, что позволяет рекомендовать их как на этапах проектирования установок, гак и их эксплуатации.

3. Показано, что предложенная методика определения качественных и количественных показателей уменьшения толщины наносимого на движущуюся нленку покрытия при пробоях электронной пушки, основанная на расчете участков пленки, пройденных за время пробоя, пригодна как для сравнения различных сиеiем управления установками, так и для выбора режимов работы, обеспечивающих требуемое качество пленки с нанесенным покрытием.

4. На опытно-промышленной электронно-лу чевой у становке для нанесения покрытия на ру тонные материалы к с п е р н м е i п a i ь и о доказана мао гттrat f алтт гта ттпллт^ащтлт" лтхлтл" «т т «ап г гттт*ллпошит тл тттт т гти т naimт itiin |-rvu.ll» l > у V. V1V/V X О Ирсдлшлишшп VMV I V. VIOI MVt v. tripuum irisi i илщшххм lmivpoi 1 МЛ на основе использования как аналоговых, гак и микропроцессорных средств управления, и ее функционирование, подтверждающее повышение равномерности юлщины нокрышя и резулыа! ы leopeiических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе анализа уровня развития науки, технологии и оборудования для нанесения покрытий в вакууме установлена возможность решения разработанными на современном этапе методами и средствами задачи нанесения покрытий из тугоплавких материалов на движущиеся полимерные пленки с использованием электронно-лучевых установок с плоскосимметричными сиаемами формирования и развороюм элемронною пучка на угол 270 0.

2. Доказана возможность и целесообразность использования разработанной и экспериментально подтвержденной модели теплои массопе-рсноса при нанесении покрытии из ттопл"пКмХ материалов на tbfDky-щуюся полимерную пленку для расчеш 1ехнологических параметров процесса при проектировании установок и решения задачи повышения равномерности толщины наносимою покрытия как в поперечном ошоеи-тсльно движения направлении, так и в направлении движения пленки.

3 На основании теоретических и экспериментальных исследовании с использованием разработанной у ючненной модели массоиерсноса при нанесении покрытия на движ шу юс я полимерную пленку полvмены <�и<�и-симости. связывающие толшину покрытия с параметрами непараллельной системы, механизма перемещения подложки и свойствами испаряемого материала, позволяющие выбирать профиль отверстия экрана, устанавливаемою между испари 1ельной сиаемой и движущейся пленкой для получения требуемой равномерности толщины покрытия в поперечном относительно движения пленки направлении.

4. lia основании проведенных теоретических исследований, результаты которых подтверждены экспериментальной проверкой функционирования на о- !ы i но-! фомыш. 1снной установке, доказана возможноеь и целесообразность применения разработанной системы стабилизации толщины наносимого в направлении движения пленки покрытия с использованием датчика мощности электронной пушки. Показано, что использование в элекфонно-лучевых установках для нанесения иокрышй на рулонные пленочные материалы систем управления, воздействующих на скорость перемотки пленки, обеспечивает не менее, чем в три раза снижение неравномерное 1и ю. шшны нокрышя или гакое же повышение произво.

ДИ1С.'11>КШ. I И М111ЖШМ1 I I тгиппип ит/л ттлтюлл ! 111 г мIи I IIII — «11 1 'I I1 и 11-> 1−1 I- (111 ¦[¦III1−1IV- > I' 11,1 1 1-латшн-. ии ииш-^ппл 1 1(1/1 п) 1 у 1 1. !иши1Л мин, риалов на движущуюся полимерную пленку в элекгронно-лучевых установках адекватно определяется разработанной динамическои моделью, нредс 1 авляющих собой сие! ему сущес! вешю нелинейных дифференциальных уравнений, не имеющих аналитического решения. Обоснована целесообразность применения для решения задач анализа и синтеза систем управления процессом нанесения иокрышй в уе! ановках рассмафивасмо-го класса разработанной цифровом мотели, ис по л ьлу тощей пзке > прнхлал .V гт^^т^и. «СТК/Н ТЬ’ГМЪ'».

11ШЛ I ЦДМ |.'иЛ1."1 V*. > I: VI V 1V 1: ч! «.

6. Показано, что разработанная цифровая модель системы позволяет в диалоговом режиме определять параметры установки на лапе проектирования и выбирать близкие к оптимальным наетроики на требуемый режим.

7. Установлено, что при исследовании процессов в системе наиболее целесообразно рассчитывать и выводить на печать временные диаграммы изменения возмущающего воздействия, у дельной юлщнны покрытия и скоростей конденсации материал. и движения подложки позво.

1 II I < Л I I I I I .1 l-.ll I «Л-.'!'!! -VI II I .V «1 I —. 1 ' 1 1 11 I .1, 1111, 11 I I I. 1 /ГТ» ПЛ Т1П-Г1, 1,>11/111 111 1 ¿-Л 11.1 |-<1'1.11.1111.

ЛЛШ1ДП. ПЦ1. кЮ1.1]Пи 11 1 VI- ! 1? ! V- ! иVI II IV,' IV. 1.1 1 и иышопиа пипшик. ш системы и выбирать близкий к оптимальному режим работы. Показано, что в качестве критерия оптимальности целесообразно использовать величину интегральной ошибки толщины покрытия, определяемую по фазовым траекториям, представляющим собой зависимости удельной толщины покрытия от пройденного пленкой пути.

8. Установлено, что нереверсивный привод перемотки пленки при близких к оптимальным структуре и параметрах блока, связывающего привод с испарительной системой, обеспечивает требуемую для практики точность поддержания толщины покрытия при отработке наиболее тяжелого возмущающего воздействия, соответствующего технологическому пробою электронной пушки.

Я Показано, что для систем" рассматриваемого класса более слож.

1(1 11 ж 14 и. (1,М1 ш I /" памап1мчлтт (п (1(лаппплитп т пт (тлп .л" •.-('(->(пппх по (Г| гэ^о11V-III II ! I. иV-1'V.и^ 1 гV. IIп Г! !)! •¦! |?иоъ|-г.мппо|П :!! / и1 лп и. и-пки, с одной стороны, является избыточным и более дорогим, а с другойне обеспечивает существенного повышения равномерности нанесения покрытия на движущуюся пленку.

10. Экспериментально на опытно-промышленной установке для нанесения покрышй на рулонные ма>ериалы иод! верждена реализуемое 11, разработанной системы стабилизации толщины наносимого покрытия как по элементной базе, так и по предложенным алгоритмам управления.