LV13910B - Rezistīvais iztvaicētājs pārklājumu uznešanai vakuumā - Google Patents

Description

Izgudrojums attiecas uz ierīcēm metālu un sakausējumu iztvaicēšanai vakuumā. To var izmantot, piemēram, ilgstošos augstražīgos procesos relatīvi biezu pārklājumu uznešanai uz ruļļveida pamatnēm un dispersiem materiāliem, kā arī brīvu atdalāmu kondensātu ieguvei metālu foliju veidā.

ZINĀMAIS TEHNIKAS LĪMENIS

Lai realizētu augstražīgus procesus, uznesot biezu pārklājumu vakuumā, ir nepieciešams iztvaicēt ievērojamu daudzumu šī materiāla. Lai iztvaicētu tik lielu materiāla daudzumu vienā ciklā, parasti tiek izmantota iztvaicējamā materiāla padeve iztvaicētājā iztvaicēšanas laikā. Materiāls iztvaicētājā var tikt padots stieples, granulu, pulvera un tamlīdzīgā veidā. Dažreiz iztvaicējamais materiāls tiek padots iztvaicētājā šķidrā fāzē.

Ir zināmas materiālu iztvaicēšanas ierīces vakuuma pārklājumu uznešanai uz ruļļveida pamatnēm. Piem., ASV patents Nr. 5230923 it piedāvāta ierīce silīcija, silīcija oksīdu vai šo materiālu ar citu materiālu nelielu (līdz 10%) piedevu nepārtrauktajai iztvaicēšanai, lai uznestu pārklājumu uz ruļļveida polimēra plēves. Kā citi materiāli pārējo metālu starpā ir minēta alva, indijs un alumīnijs. Pārklāšanas procesā iztvaicējamais materiāls iztvaicētājā tiek padots tablešu, nelielu cilindru, stieples, pulvera un tamlīdzīga veidā caur tā ievadatveri. Lai nodrošinātu iztvaicēšanas vienmērīgumu, iztvaicētāja pretējā galā ir atvere liekā iztvaicējamā materiāla aizvadīšanai. Ierīce ir paredzēta ilgstošai, nepārtrauktai materiāla iztvaicēšanai. Tomēr kustīgo mehānisko ierīču pielietošana (bezgalīgas lentes vai stūmēja veidā), lai padotu iztvaicējamo materiālu vakuuma apstākļos, ievērojami sarežģī procesu un samazina ierīces drošumu. Tā kā speciāli kustīgi līdzekļi nav paredzēti liekā materiāla aizvākšanai, acīmredzami ir domāts, ka padeves ierīces darbība var veicināt arī liekā materiāla aizvākšanu (neskatoties uz to faktu, ka vismaz daļa no šī materiāla var būt arī izkusušā veidā). Šīs sistēmas ilgstošas darbības drošums izraisa šaubas. Vismazākā materiāla sacietēšana blakus izejas atverei nozīmē procesa bloķēšanas sākumu. Kopumā šai zināmajai ierīcei nav pietiekamā darbības drošuma vakuuma un samērā augstas temperatūras apstākļos.

I. Ašmaņa referātā Vakuuma Pārklājēju Sabiedrības 51. gadskārtējā tehniskā konferencē “Vara iztvaicēšana no grūti kūstošu materiālu laiviņām, izmantojot iztvaicējamā materiāla padevi stieples veidā”, ir piedāvāta vara vakuuma iztvaicēšanas ierīce, kura ir vistuvākā piedāvātajam izgudrojumam (I. Ashmanis, V. Kozlov, E. Yadin, J. Vilks, “Wire Fed Evaporation of Copper from Refractory Mētai Boats”, Society of Vacuum Coaters, Proceedings of the 51st Annual Technical Conference”, 2007). Zināmais vara iztvaicētājs ir bloks, kas satur divus cauruļveida iztvaicētājus, kuri ir uzstādīti strāvas pievadīšanas statnī. Ierīce satur arī iztvaicējamās varas stieples padeves mehānismu un ekrānu sistēmu. Katrs cauruļveida iztvaicētājs ir lineāra konstrukcija, kura sastāv no plānsienu caurules (ekrāna) un poraina serdeņa, pēdējais koncentriski iestādīts caurules iekšienē. Caurules un porainā serdeņa gali ir iespiesti molibdēna kontaktos, lai iegūtu drošu elektrisko un mehānisko kontaktu. Vara tvaika izplūšanas atveres ir izveidotas tai caurules daļā, kura ir pavērsta pret pamatni. Lai izveidotu varas stieples kausēšanas kameru un kanālus izkusušā varas novadīšanai uz poraino serdeni, molibdēna kontaktos ir virkne urbumu. Pateicoties salīdzinoši lielajai iztvaicētāja elektriskajai pretestībai, iztvaicētājs tiek sasildīts ar tiešu strāvas plūsmu. Šāda veida ierīces labi darbojas pie samērā liela varas stieples padeves ātruma, bet, kad stieples padeve tiek samazināta līdz 5-6 g/min. un zemāk, tiek novēroti iztvaicētāja darbības traucējumi. Pie maza stieples padeves ātruma sākas iztvaicētāja strāvas svārstības un iztvaicēšanas ātrums kļūst nestabils, kas būtiski pazemina uznesamo pārklājumu vienmērīgumu. Šīs parādības iemesls ir tas, ka, samazinot iztvaicējamā materiāla padeves ātrumu līdz 5-6 g/min. un zemāk kušanas procesā laikā, izkusušais metāls virsmas spraiguma spēku iespaidā savelkas lodītē. Šī lodīte atraujas no iztvaicētāja kontakta un karājas virs izkusušā materiāla kameras varas stieples galā. Stieple turpina kust, un lodītes izmēri palielinās. Pēc tādu izmēru sasniegšanas, kad smaguma spēks kļūst lielāks par virsmas spraiguma spēku, lodīte atraujas no stieples un nokrīt kausēšanas kamerā, tālāk tā saslapina poraino serdeni, izplūst pa visu tā garumu un iztvaicējas. Pa to laiku turpinās stieples padeve kausēšanas kamerā. Tiklīdz stieples gals saskaras ar kontaktu, stieple sāk kust, izkusušais materiāls atraujas no kontakta, savelkas lodītē un iepriekš izklāstītais cikls atkārtojas.

Ir zināms, ka viegli kūstošu metālu, piemēram, indija, padeve uz iztvaicētāju stieples veidā ir visai problemātiska tā zemās kušanas temperatūras dēļ. Tādā gadījumā iztvaicējamais metāls uz iztvaicētāju tiek padots šķidrā veidā. Iztvaicējot indiju, brīžiem var novērot nelielu indija lodīšu veidošanos metālvada galā un iztvaicēšanas svārstības, ja metāla padeves ātrums ir mazāks par 5-6 g/min. Ar I. Ašmaņa piedāvātā iztvaicētāja palīdzību A/S SIDRABE 1,5 mm diametra vara stieple tika iztvaicēta ar padeves ātrumu 10, 8, 5 un 3 g/min. Ja iztvaicētāja barošanas sprieguma lielums tika izvēlēts pareizi, tad netika novērotas nekādas problēmas vara iztvaicēšanai ar stieples padeves ātrumu 10 un 8 g/min. Uz polimēra plēves uznestā pārklājumu biezuma kontroles mērījumi parādīja, ka iegūta pārklājumu biezuma nevienmērīgums nepārsniedz ±5%. Pēc varas stiepies padeves ātruma samazināšanas līdz 5 g/min. bija novērojamas strāvas svārstības ar vidējo periodu ap 6 sekundēm. Lodītes, kuras periodiski parādījās stieples galā, bija apmēram 5-6 mm diametrā. Uz polimēra plēves uznestā pārklājumu biezuma kontroles mērījumi liecināja, ka šajā darbības režīmā ir lielas pārklājuma biezuma svārstības un pārklājuma nevienmērīgums vietām sasniedza ±40%. Kad tika iztvaicēti citi materiāli (to skaitā indijs, sudrabs un citi), procesa nestabilitāte pieauga.

IZGUDROJUMA MĒRĶIS

Piedāvātā izgudrojuma mērķis ir iztvaicētāja tehnoloģisko iespējas paplašināšana procesa stabilitātes un pārklājuma kvalitātes paaugstināšanas rezultātā, tai skaitā iztvaicēšanas ātruma diapazona paplašināšana dažādu metālu pārklājumu uznešanas laikā.

ĪSS ZĪMĒJUMU APRAKSTS

Piedāvātās ierīces pielietojums metāla iztvaicēšanai ar tā padevi stieples veidā ir parādīts l.zīm. un 2.zīm., kur l.zīm. ir parādīta iztvaicētāja konstrukcija, tai skaitā a) - sānskats, b) skats no augšas, c) - iztvaicētāja šķērsgriezums plaknē A-A, bet 2.zīm. ir parādīta viena no iespējamām shēmām iztvaicētājā montāžai vakuuma kamerā. 3.zīm. ir parādīts piedāvātās ierīces pielietojums, ja vieglāk kūstošs metāls tiek padots iztvaicētājā šķidrā veidā.

ZĪMĒJUMOS IZMANTOTO APZĪMĒJUMU SPECIFIKĀCIJA:

1- plānsienu caurule; 2 - porainais serdenis; 3 - iztvaicēšanas kamera; 3,3 - svārstību amortizācijas kameras; 4 - starpsienas; 5 - tvaika izejas atvere; 6 - strāvas pievadīšanas kontakts;

- izkusušā materiāla kamera; 8 - kanāls izkusušā materiāla novadīšanai uz poraino serdeni; 9 siltuma tiltiņi; 10 - gala kontakti; 11 - kūstošā materiāla noturīgs ieliktnis; 12 - strāvas pievadīšanas dzesējamie kontakti; 13 - iztvaicējamā materiāla stieples padeves mehānisms; 14 LV 13910 iztvaicējamā materiāla stieples spole; 15 - iztvaicējamā materiāla stieple; 16 - pamatne; 17 vakuuma kamera; 18 - barošanas avots; 19 - dzesējamā ūdens padeves un novadīšanas kanāli; 2sasildāmais rezervuārs; 21 - sasildāmais metālvads; 22 - piltuve.

SĪKS IZGUDROJUMA APRAKSTS

Iztvaicētājs sastāv no plānsienu caurules 1, kurā simetriski pa asi ir iemontēts porainais serdenis 2. Tādējādi tiek izveidota daļēji noslēgta telpa starp cauruli 1 un poraino serdeni 2. Minētajā telpā zona 3 ir iztvaicēšanas kamera, kura ir izvietota iztvaicētāja vidējā daļā. Iepretī tai caurulē 1 ir izveidota tvaika izejas atvere 5. Caur šo atveri 5 caurulē 1 notiek iztvaicēšana un pārklājumu uznešana uz pamatnes. Saskaņā ar piedāvāto izgudrojumu iztvaicēšanas kameras 3 abās pusēs ir uzstādītas papildus starpsienas 4 un tādējādi tiek izveidotas svārstību amortizācijas kameras 3' un 3”. Minētajām svārstību amortizācijas kamerām caurulē 1 nav nekādu atveru tvaika izplūšanai uz pamatnes pusi. Caurules un porainā serdeņa abi gali ir iespiesti molibdēna kontaktos 6, lai iegūtu drošu elektrisko un mehānisko kontaktu. Cauruli 1 kontaktos 6 var pagriezt ap savu asi, lai tvaika plūsmu novirzītu jebkurā nepieciešamajā virzienā. Lai izveidotu izkusušā materiāla kameru 7 un kanālus 8 izkusušā materiāla padevei uz poraino serdeni 2, molibdēna kontaktos 6 ir izveidoti virkne urbumu. Kamera 7 noder iztvaicējamā metāla stieples kausēšanai vai iztvaicējamā metāla pieņemšanai šķidrā veidā. Izkusušais metāls tālāk tiek novadīts uz poraino serdeni 2.

Strāvas pievadīšanas kontakti ir izveidoti no viena gabala no grūti kūstoša materiāla, piemēram, molibdēna. Lai nodrošinātu nepieciešamu temperatūras starpību starp izkusušā materiāla kameru 7 un gala kontaktu 10, šeit ir izveidoti siltuma tiltiņi 9. Lai paaugstinātu iztvaicētāja kalpošanas laiku, kameras 7 dibenā, iztvaicējamā materiāla padeves vietā ir novietots ieliktnis 11 no materiāla, kas ir noturīgs pret izkusušo iztvaicējamo metālu. Ar galu kontaktiem 10 iztvaicētājs caur grafīta starpplāksnēm tiek iespiests dzesējamajos vara strāvas pievados 12 (skat. 2.zīm.). 2.zīm. ir parādīta arī pamatne 16 un shēma iztvaicētājā montāžai vakuuma kamerā 17. Lai sasildītu iztvaicētāju un nodrošinātu tā darbību un vadību, ir nepieciešams barošanas avots 18 ar attiecīgiem parametriem, tai skaitā tādiem, kas nodrošina izejas sprieguma vidēji kvadrātiskā lieluma stabilizācijas režīmu. Caur kanāliem 19 tiek padots un aizvadīts ūdens gala kontaktu 10 dzesēšanai.

Lai padotu iztvaicējamo materiālu iztvaicētājā, nepieciešams padeves mehānisms ar iztvaicējamā materiāla krājumu visam darbības ciklam. Kā piemērs 2.zīm. ir parādīts ari mehānisms 13 iztvaicējamā materiāla padevei stieples veidā. Iztvaicējamās stieples 15 nepieciešamais daudzums ir uztīts uz spoles 14. Pārklājums tiek uznests uz pamatnes 16.

3.zīm. ir parādīts piedāvātās ierīces pielietojums, ja tiek izmantots vieglāk kūstošs metāls. Šajā gadījumā iztvaicējamais materiāls tiek padots uz izkusušā materiāla kameru 7 šķidrā veidā. Bez iepriekšminētajiem iztvaicētāja elementiem šis pielietojums satur arī apsildāmu rezervuāru 20 ar šķidru metālu un sasildāmu metālvadu 21 šķidrā metāla novadīšanai uz kameru 7 caur piltuvi 22.

Iztvaicētājs darbojas sekojoši. Kad vakuuma kamerā 17 tiek sasniegts spiediens, kas ir zemāks 0,1 militoru, tiek izslēgts iztvaicētāja barošanas avots. Uz iztvaicētāju, kurš ir iestādīts dzesējamajos kontaktos 12, pakāpeniski tiek padots pieaugošs spriegums. Šī sprieguma maksimālā vērtība ir atkarīga no iztvaicētāja izmēriem, iztvaicējamā materiāla un nepieciešamā iztvaicēšanas ātruma. Tas tiek noteikts eksperimentu ceļā iztvaicētāja konstrukcijas iestādīšanas laikā. Pēc iztvaicētāja izvešanas uz darba režīmu tiek ieslēgts stieples padeves mehānisms. Stieple 15 no spoles 14 nonāk kausēšanas kamerā 7, tiek sasildīta, kūst un, saskāries ar porainu serdeni 2, izkusušais materiāls izplūst visā porainā serdeņa 2 garumā. Tas piepilda poras un pārklāj serdeņa virsmu ar plānu šķidra metāla slāni. Sākas iztvaicēšanas process. Materiāls tiek iztvaicēts no serdeņa 2 virsmas. Iztvaicētāja vidus daļā, iztvaicēšanas kamerā 3 materiāla tvaiki pēc daudzkārtējas atstarošanas no caurules 2 sienām izplūst caur atveri 5 un nosēžas uz pamatnes.

Amortizācijas kamerās 3' un 3” materiāls ari tiek iztvaicēts no serdeņa 2, tomēr, tā kā caurulei šais zonās nav atveru tvaika izejai ārpus iztvaicētāja, tvaiks, daudzkārt atstarojoties no caurules iekšējām sienām, atkal kondensējas uz porainajā serdeņa. Tādā veidā šais kamerās iestājas dinamiskais līdzsvars, kad molekulas skaits, kuras izlido no izkusušā materiāla slāņa uz serdeņa, ir vienlīdzīgs molekulu skaitam, kuras atgriežas uz serdeņa virsmas no tvaika, t.i., kad iztvaicēšanas ātrums ir vienlīdzīgs kondensācijas ātrumam.

Kad iztvaicēšanas ātrums ir pietiekoši liels, piem., ir 7 - 10 g/min., iepriekš minētais stāvoklis amortizācijas zonās saglabājas visā iztvaicēšanas procesa laikā. Kad iztvaicēšanas ātrums ir mazs tiek novērota iepriekš aprakstīta izkusušā materiāla lodītes veidošanās un tā padeves svārstības. Iztvaicētājā notiekošos procesus var aprakstīt sekojošajā veidā. Pēc izkusušā materiāla lodītes atdalīšanas no vara stieples, t.i., tad, kad lodīte iekrīt kausēšanas kamerā un saslapina iztvaicētāja serdeni, sākas iztvaicēšana no iztvaicēšanas kameras 3 uz pamatni.

Amortizācijas kamerās 3' un 3” materiāls arī tiek iztvaicēts no serdeņa 2, tomēr, tā kā šajās zonās nav atveru tvaika izejai no iztvaicētāja, tvaiks daudzkārt atstarojas no caurules iekšējām sienām un atkal kondensējas uz porainā serdeņi. Kad iztvaicējamā materiāla daudzums kamerā 3 uz serdeņa 2 kļūst mazāks nekā kamerās 3' un 3”, iztvaicēšanas kameras 3 temperatūra palielinās, un iztvaicējamais materiāls kapilāro spēku iedarbībā tiek sūknēts no kameras 3' un 3” uz kameru 3, kas stabilizē iztvaicēšanas ātrumu. A/S SIDRABE tika izgatavoti daži šāda tipa iztvaicētāji. Viens no tiem bija paredzēts vara iztvaicēšanai ar vara stieples padevi, otrais - indija iztvaicēšanai ar metāla padevi šķidrā veidā. Abiem iztvaicētājiem caurules diametrs bija 20 mm, tās garums - 110 mm. Tvaika izejas atveres izmērs bija 12 x 43 mm. Atvere bija izgatavota caurules centrālajā daļā 25 mm attālumā no kontaktiem. Vara iztvaicēšanas laikā uz kausēšanas kameru tas tiek padots 1,5 mm diametra stieples veidā. Indija iztvaicēšanas laikā uz kausēšanas kameru tas tiek padots izkausēta veidā no speciāla rezervuāra. Abi metāli tika tvaicēti pārklājumu uznešanai uz polimēru plēves ar padeves ātrumu 10, 7, 5 un 3 g/min. Visos minētos režīmos bija vērojama stabila vienmērīgā iztvaicēšana bez redzamām iztvaicējamo metālu svārstībām.

Uz polimēra plēvēm uznestā pārklājumu biezuma kontroles mērījumi uzrādīja, kas nevienā no pārbaudītajiem darbības režīmiem iztvaicētājā nav darbības svārstību. Pie padeves ātruma 10, 7 un 5 g/min. biezuma nevienmērīgums nepārsniedza ±5%. Pie padeves ātruma 3 g/min. biezuma nevienmērīgums nepārsniedza ±10%.

Piedāvātais izgudrojums nodrošina iztvaicētāja tehnoloģisko iespēju paplašināšanu un pārklājuma kvalitātes paaugstināšanu. Tas ļauj paplašināt iztvaicēšanas ātruma diapazonu, šai procesā izmantojot dažādus metālus un dažādus pamatnes. Starp citu, izgudrojums ļauj uznest pārklājumus uz siltumjūtīgām pamatnēm bez to pārmērīgas sakarsēšanas, kas ir iespējams realizējot procesu ar zemāku iztvaikošanas ātrumu, ar attiecīgi zemāku siltuma plūsmu un proporcionāli zemāku pamatnes temperatūru. Ja vienā tehnoloģiskā procesā tiek izmantoti dažādi tvaika avoti, piemēram, termiskais iztvaicētājs un magnetronu smidzinātājs vai dažāda ātruma termiskie iztvaicētāji, piedāvātais tehniskais risinājums ļauj labāk saskaņot pārklājumu uznešanas ātrumu no šādiem dažādu ātrumu avotiem.

Piedāvātais risinājums dod arī iespēju plašā diapazonā mainīt iztvaicēšanas ātrumu un uzmeklēt optimālus parametrus katram pārklājuma slānim un tāda veidā paaugstināt gala produkta kvalitāti. A/S SIDRABE šāda metode tika izmantota nihroma un vara uznešanai uz poliimida plēves, pie kam nihroms tika uznests ar magnetronu un varš ar termisku iztvaicētāju. Vēl viens pielietojums ir vara un indija vienlaicīga iztvaicēšana no diviem atsevišķiem termiskajiem iztvaicētājiem vara un indija sakausējuma uznešanai uz vienas pamatnes. Šai gadījumā piedāvātājs risinājums atļāva līdz 10 reizēm izmainīt pārklājuma sastāvu - attiecību starp indija un varu - un rezultātā atrast piemērotāko režīmu un izgatavot materiālu ar vajadzīgajām īpašībām.

PRETENZIJAS

Claims (3)

1. PRETENZIJAS

   1. Rezistīvais iztvaicētājs pārklājumu uznešanai vakuumā, kurš satur: iztvaicēšanas kameru; cauruļveida ekrānu ar atverēm iztvaicējamā materiāla tvaika izplūšanai; porainu serdeni, kas ir nostiprināts minētā cauruļveida ekrāna iekšienē; kontaktus elektriskās strāvas pievadīšanai, vismaz vienu izkusušā materiāla kameru, ierīci iztvaicējamā materiāla padevei uz minēto izkusušā materiāla kameru; kanālu minētā izkusušā materiāla padevei no izkusušā materiāla kameras uz poraino serdeni, atšķirīgs ar to, ka, ar mērķi paplašināt iztvaicētāja tehnoloģiskās iespējas un paaugstināt pārklājuma kvalitāti iztvaicēšanas ātruma stabilizācijas ceļā, vismaz viena iztvaicēšanas svārstību amortizācijas kamera ir izveidota starp vienu no elektriskajiem kontaktiem un iztvaicēšanas kameru, pie kam minētā svārstību amortizācijas kamera ir atdalīta no iztvaicēšanas kameras ar starpsienu, kurai ir atvere porainajam serdenim un šķidrā materiāla plūsmai.
2. 2. Ierīce saskaņā ar 1. punktu, kas atšķirīga ar to, ka svārstību amortizācijas kameras garums ir ne mazāks par iztvaicēšanas kameras vienu diametru.
3. 3. Ierīce saskaņā ar 1. punktu, kas atšķirīga ar to, ka svārstību amortizācijas kameras diametrs ir vienāds ar minētā cauruļveida ekrāna diametru.

   LV 13S10