RU2051200C1

RU2051200C1 - Apparatus for vacuum deposition of polymer film

Info

Publication number: RU2051200C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Григорьевич Белов; Владимир Анатольевич Иванов; Валерий Анатольевич Иванов; Теморлан Хусейнович Нагоев
Original assignee: Владимир Григорьевич Белов; Владимир Анатольевич Иванов; Валерий Анатольевич Иванов; Теморлан Хусейнович Нагоев
Priority date: 1991-10-01
Filing date: 1991-10-01
Publication date: 1995-12-27

Abstract

FIELD: vacuum deposition of layers. SUBSTANCE: apparatus has vacuumizer with substrate and evaporator positioned within vacuumizer. Evaporator provided with heater is divided into two chambers positioned in axial alignment one with respect to the other and to evaporator. Substance to be evaporated is charged into one chamber. Other chamber is made cylindrical and disposed in central part of evaporator. Evaporator bottom has vapor discharge opening with supersonic nozzle. Cover is positioned on upper part of evaporator. EFFECT: improved homogeneity and uniformity of applied layer and efficient usage of mass of substance subjected to evaporation. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумному нанесению слоев и может быть использовано для термического нанесения полимерных пленок из газовой фазы. The invention relates to vacuum deposition of layers and can be used for thermal deposition of polymer films from the gas phase.

Известны устройства для нанесения полимерных пленок в вакууме с помощью электронного пучка и в плазме тлеющего разряда [1] Устройства для нанесения полимерных пленок с помощью электронного пучка представляют собой вакуумную камеру, внутри которой расположены электронная пушка, охлаждаемая мишень, резервуар с мономером и нагреватель для создания необходимого давления паров внутри вакуумной камеры. Устройства для нанесения полимерных пленок в плазме тлеющего разряда представляют собой вакуумную камеру, внутри которой расположены два электрода, форма и размеры которых различны и зависят от размеров подложки, на которую осуществляют нанесение слоя. Между электродами зажигается тлеющий разряд постоянного или переменного тока. Полимер осаждается на подложке, например, в виде ленты, которая пропускается вблизи поверхности одного или обоих электродов, или на подложках, расположенных в пределах области горения разряда. Known devices for applying polymer films in a vacuum using an electron beam and in a glow discharge plasma [1] Devices for applying polymer films using an electron beam are a vacuum chamber, inside which there is an electron gun, a cooled target, a reservoir with a monomer and a heater to create required vapor pressure inside the vacuum chamber. Devices for applying polymer films in a glow discharge plasma are a vacuum chamber, inside which there are two electrodes, the shape and dimensions of which are different and depend on the size of the substrate on which the layer is applied. Between the electrodes a glow discharge of direct or alternating current is ignited. The polymer is deposited on a substrate, for example, in the form of a tape that is passed near the surface of one or both electrodes, or on substrates located within the region of the discharge burning.

Основным недостатком при получении пленок с помощью электронного пучка является малая скорость формирования полимерных слоев. Недостатком известных устройств, в которых используется плазма тлеющего разряда, является то, что мономер подается внутрь вакуумной камеры и заполняет ее полностью, что приводит к конденсации мономера на всех внутренних поверхностях вакуумной камеры и вспомогательных устройствах, расположенных внутри камеры. The main disadvantage in obtaining films using an electron beam is the low rate of formation of polymer layers. A disadvantage of the known devices that use glow discharge plasma is that the monomer is fed into the vacuum chamber and fills it completely, which leads to condensation of the monomer on all internal surfaces of the vacuum chamber and auxiliary devices located inside the chamber.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для термического напыления пленок, содержащее вакуумную камеру с размещенными в ней испарителем и подложкой. Испаритель выполнен в виде двух, соединенных между собой цилиндрическим каналом камер, одна из которых содержит испаряемый материал, а вторая снабжена выходным отверстием, служащим для выпуска из камеры паров напыляемого вещества. Цилиндрический канал, соединяющий обе камеры, имеет дистанционно управляемый герметичный затвор. Closest to the proposed is a device for thermal spraying of films, containing a vacuum chamber with an evaporator and a substrate placed in it. The evaporator is made in the form of two chambers connected to each other by a cylindrical channel, one of which contains the material to be evaporated, and the second is equipped with an outlet that serves to release vapor from the sprayed substance from the chamber. The cylindrical channel connecting both chambers has a remotely controlled tight shutter.

К недостаткам известного устройства следует отнести плохую воспроизводимость параметров напыления слоев, связанную с невозможностью измерения с необходимой точностью и контроля параметров процесса напыления. The disadvantages of the known device include the poor reproducibility of the parameters of the deposition of layers associated with the inability to measure with the necessary accuracy and control the parameters of the deposition process.

Целью изобретения является повышение качества наносимых пленок. The aim of the invention is to improve the quality of the applied films.

Цель достигается тем, что испаритель выполнен в виде замкнутой изолированной от вакуумной камеры емкости. Под испарителем замкнутого типа имеется в виду испаритель, имеющий выходное отверстие или профилированное сопло, в самом узком сечении (критическом сечении) которого достигается скорость истечения паров, равная местной скорости звука. При этом параметры среды, в которую происходит истечение паров испаряемого вещества, не оказывают влияния на параметры (температуру, давление) паров внутри объема испарителя. Расход паров испаряемого вещества через критическое сечение сопла равен
G m ˙n_* ˙v_* ˙F_*, где n_* p_*/kT_* плотность паров в критическом сечении сопла; v_*

скорость паров в критическом сечении сопла; F_* площадь критического сечения сопла; m масса молекулы испаряемого вещества;p_* и T_* давление и температура паров в критическом сечении сопла; k постоянная Больцмана; R газовая постоянная; γ показатель адиабаты. Следовательно, расход паров испаряемого полимера определяется двумя параметрами: давлением и температурой паров внутри испарителя. Заданный расход паров испаряемого полимера контролируется датчиками для измерения давления и температуры паров внутри испарителя.The goal is achieved in that the evaporator is made in the form of a closed container isolated from the vacuum chamber. A closed-type evaporator refers to an evaporator having an outlet or a profiled nozzle, in the narrowest section (critical section) of which the vapor expiration rate equal to the local sound velocity is achieved. In this case, the parameters of the medium into which the vapor of the vaporized substance flows out do not affect the parameters (temperature, pressure) of the vapor inside the evaporator volume. The vapor flow rate of the vaporized substance through the critical section of the nozzle is
G m ˙n _* ˙v _* ˙F _* , where n _* p _* / kT _{* is} the vapor density in the critical section of the nozzle; v _*

vapor velocity in the critical section of the nozzle; F _* critical section area of the nozzle; m is the mass of the molecule of the vaporized substance; p _* and T _* are the vapor pressure and temperature in the critical section of the nozzle; k Boltzmann constant; R gas constant; γ is the adiabatic exponent. Therefore, the vapor flow rate of the evaporated polymer is determined by two parameters: the pressure and temperature of the vapor inside the evaporator. The predetermined vapor flow rate of the vaporized polymer is monitored by sensors to measure the vapor pressure and temperature inside the evaporator.

Конструкция испарителя состоит из двух полостей: внешней коаксиальной полости, внутрь которой загружается испаряемое вещество, и центральной цилиндрической полости, соединенной со сверхзвуковым соплом. Такая конструкция испарителя предохраняет выходное отверстие сопла от попадания в него капель испаряемого полимера, то есть исключает выброс капель через сопло и их попадание на подложку. The design of the evaporator consists of two cavities: an external coaxial cavity into which the vaporized substance is loaded, and a central cylindrical cavity connected to a supersonic nozzle. This design of the evaporator protects the nozzle exit from dropping droplets of the evaporated polymer into it, that is, it eliminates droplets ejected through the nozzle and onto the substrate.

Температурный диапазон работы испарителя зависит от конкретного испаряемого полимера. Под действием температуры происходит термическая деструкция полимера, то есть разрыв отдельных наиболее слабых химических связей в макромолекуле полимера. Для большинства полимеров область температур, в которой происходит термическая деструкция, составляет 200-300^оС. Например, полиэтилен стоек при нагревании в вакууме и лишь при 290^оС и выше происходит термическая деструкция, а при температуре порядка 500^оС происходит пиролиз с образованием газообразных продуктов; напыление же политетрафторэтилена производили и при 1200^оС [1]
Полученные в испарителе пары выпускают в вакуумную камеру через сверхзвуковое осесимметричное или профилированное сопло. Сопло формирует осесимметричный или плоскопараллельный с равномерным распределением параметров по сечению сверхзвуковой поток паров испаряемого полимера, который направляют на равномерно перемещаемую подложку, где и происходит осаждение паров. Использование сверхзвуковой скорости натекания паров на поверхность подложки приводит к увеличению кинетической энергии напыляемых частиц, а следовательно, к более плотному механическому контакту напыляемая частица поверхность подложки, то есть к увеличению адгезии.The temperature range of the operation of the evaporator depends on the particular evaporated polymer. Under the influence of temperature, thermal destruction of the polymer occurs, that is, breaking of some of the weakest chemical bonds in the polymer macromolecule. For most polymers, the temperature range in which thermal degradation occurs is 200-300 ^о С. For example, polyethylene is resistant when heated in vacuum and only at 290 ^о С and higher thermal decomposition occurs, and at a temperature of the order of 500 ^о С pyrolysis occurs with the formation gaseous products; spraying polytetrafluoroethylene as produced and at 1200 ^C. [1]
The vapors obtained in the evaporator are discharged into the vacuum chamber through a supersonic axisymmetric or shaped nozzle. The nozzle forms an axisymmetric or plane-parallel with a uniform distribution of parameters over the cross section of the supersonic vapor stream of the evaporated polymer, which is sent to a uniformly moving substrate, where vapor deposition occurs. The use of supersonic vapor leakage rate on the substrate surface leads to an increase in the kinetic energy of the sprayed particles, and, consequently, to a more dense mechanical contact, the sprayed particle surface of the substrate, i.e., to an increase in adhesion.

При использовании плазмы тлеющего разряда для нанесения полимерных пленок получают пленки сплошные, беспористые, обладающие хорошей адгезией к поверхности и хорошими диэлектрическими свойствами [1] В случае нанесения полимерных пленок в плазме тлеющего разряда с помощью описанного устройства разряд создается между срезом сопла испарителя и металлической подложкой, если полимер осаждают на металлическую ленту. В случае нанесения полимерной пленки на ленту-подложку из непроводящего электрический ток материала разряд создается между срезом сопла испарителя и дополнительным металлическим электродом, по поверхности которого пропускают подложку. При таком расположении электродов все поле течения струи будет заполнено тлеющей плазмой. When using glow discharge plasma for applying polymer films, continuous, non-porous films are obtained, having good adhesion to the surface and good dielectric properties [1] In the case of applying polymer films in a glow discharge plasma using the described device, a discharge is created between the section of the evaporator nozzle and the metal substrate, if the polymer is deposited on a metal tape. In the case of applying a polymer film to a substrate strip from a non-conductive material current, a discharge is created between the exit section of the evaporator nozzle and the additional metal electrode, on the surface of which the substrate is passed. With this arrangement of electrodes, the entire field of the flow of the jet will be filled with smoldering plasma.

На фиг. 1 представлено устройство испарителя, предназначенного для нанесения полимерных пленок в вакууме; на фиг. 2 схема подключения источника питания тлеющего разряда к испарителю и к токопроводящей металлической ленте-подложке; на фиг. 3 то же, к дополнительному электроду, с расположенной перед ним лентой-подложкой из непроводящего электрический ток материала. In FIG. 1 shows an evaporator device for applying polymer films in a vacuum; in FIG. 2 diagram of the connection of a glow discharge power source to an evaporator and to a conductive metal substrate tape; in FIG. 3 the same, with an additional electrode, with a substrate tape made of a non-conductive material in front of it.

Испаритель (фиг. 1) имеет коаксиальную полость 1, внутрь которой загружается испаряемый полимер через съемную верхнюю крышку 2 испарителя. Центральная цилиндрическая полость 3 соединена с соплом 4, установленным в днище 5 испарителя. Нагрев испарителя осуществляют нагревателем 6. Испаритель вместе с нагревателем заключены в теплоизоляционный керамический корпус 7. Давление паров внутри испарителя измеряют через патрубок 8, а температуру с помощью термопары 9. The evaporator (Fig. 1) has a coaxial cavity 1, into which the evaporated polymer is loaded through a removable upper cover 2 of the evaporator. The Central cylindrical cavity 3 is connected to a nozzle 4 mounted in the bottom 5 of the evaporator. The evaporator is heated by the heater 6. The evaporator together with the heater are enclosed in a heat-insulating ceramic case 7. The vapor pressure inside the evaporator is measured through the pipe 8, and the temperature using a thermocouple 9.

При нанесении полимерных пленок в плазме тлеющего разряда (фиг. 2) напряжение от источника 10 питания подключают к корпусу испарителя 11 и к ленте-подложке 12, равномерно перематываемой с помощью барабанов 13, или к дополнительному электроду 14. When applying polymer films in a glow discharge plasma (Fig. 2), the voltage from the power source 10 is connected to the body of the evaporator 11 and to the substrate tape 12 uniformly rewound with the help of the drums 13, or to an additional electrode 14.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Внутрь коаксиальной полости 1 через верхнюю съемную крышку 2 испарителя загружается испаряемый полимер. Испаритель и вакуумную камеру герметизируют и включают вакуумные насосы. После достижения заданного давления внутри вакуумной камеры включают нагреватель 6 и доводят температуру испарителя до заданной. Пары испаряемого полимера из коаксиальной полости 1 поступают в центральную цилиндрическую полость 3 и истекают в технологический объем вакуумной камеры через съемное сопло 4, установленное в днище 5 испарителя. Осесимметричное или профилированное сопло 4 (профиль сопла зависит от геометрических размеров подложки, на которую осуществляют нанесение полимерной пленки) формирует пространство осесимметричный или плоскопараллельный сверхзвуковой поток паров, направленный на равномерно перемещаемую подложку. Толщина наносимого слоя определяется расходом паров и скоростью перемещения подложки. Параметры процесса напыления контролируются датчиками давления и температуры. Для увеличения КПД испарителя и уменьшения рассеяния энергии от испарителя внутри вакуумной камеры испаритель и нагреватель помещены в теплоизоляционный керамический корпус 7. Inside the coaxial cavity 1, the evaporated polymer is charged through the upper removable lid 2 of the evaporator. The evaporator and the vacuum chamber are sealed and include vacuum pumps. After reaching a predetermined pressure inside the vacuum chamber, the heater 6 is turned on and the evaporator temperature is adjusted to a predetermined one. Vapors of the evaporated polymer from the coaxial cavity 1 enter the central cylindrical cavity 3 and flow into the technological volume of the vacuum chamber through a removable nozzle 4 installed in the bottom 5 of the evaporator. An axisymmetric or profiled nozzle 4 (the nozzle profile depends on the geometrical dimensions of the substrate onto which the polymer film is applied) forms an axisymmetric or plane-parallel supersonic vapor stream directed toward a uniformly moving substrate. The thickness of the applied layer is determined by the flow of vapor and the speed of movement of the substrate. The parameters of the spraying process are controlled by pressure and temperature sensors. To increase the efficiency of the evaporator and reduce energy dissipation from the evaporator inside the vacuum chamber, the evaporator and heater are placed in a heat-insulating ceramic case 7.

При нанесении полимерных пленок в плазме тлеющего разряда (фиг. 2) от источника 10 питания подается напряжение к корпусу испарителя 11 и к токопроводящей металлической ленте-подложке 12 или к дополнительному электроду 14, если нанесение слоя осуществляют на непроводящую электрический ток подложку. Подложка, например, в виде ленты равномерно перематывается в процессе нанесения слоя барабанами 13. When applying polymer films in a glow discharge plasma (Fig. 2), a voltage is supplied from the power supply 10 to the evaporator body 11 and to the conductive metal tape substrate 12 or to the additional electrode 14 if the deposition of the layer is carried out on a non-conductive electric current substrate. The substrate, for example, in the form of a tape is uniformly rewound during the deposition of the layer by the drums 13.

Однородность и равномерность наносимого слоя определяется сохранением постоянного заданного расхода испаряемого вещества и постоянством скорости перемещения подложки в течение всего процесса напыления. Сохранение постоянного заданного расхода испаряемого вещества определяется в свою очередь стабильностью исходных параметров напыления внутри испарителя, то есть постоянством давления и температуры паров внутри испарителя. Наличие датчиков давления и температуры позволяет осуществлять контроль и регулирование этих параметров в процессе напыления слоя. The uniformity and uniformity of the applied layer is determined by maintaining a constant predetermined flow rate of the vaporized substance and the constant speed of movement of the substrate during the entire deposition process. The preservation of a constant predetermined flow rate of the evaporated substance is determined in turn by the stability of the initial parameters of the deposition inside the evaporator, that is, the constancy of the pressure and temperature of the vapor inside the evaporator. The presence of pressure and temperature sensors allows the control and regulation of these parameters during the deposition of the layer.

Формирование узконаправленного осесимметричного или плоскопараллельного с равномерным распределением параметров по сечению сверхзвукового потока паров позволяет по сравнению с существующими устройствами увеличить однородность и равномерность наносимого слоя и осуществлять контроль за исходными параметрами процесса напыления. Использование узконаправленной сверхзвуковой струи для нанесения слоя увеличивает использование массы испаряемого вещества, а также силовое взаимодействие напыляемых частиц с поверхностью подложки. The formation of a narrowly oriented axisymmetric or plane-parallel with a uniform distribution of parameters over the cross section of the supersonic vapor stream allows, in comparison with existing devices, to increase the uniformity and uniformity of the applied layer and to control the initial parameters of the spraying process. The use of a narrowly directed supersonic jet for applying a layer increases the use of the mass of the evaporated substance, as well as the force interaction of the sprayed particles with the surface of the substrate.

Claims

1. DEVICE FOR THE APPLICATION OF POLYMER FILMS IN VACUUM, containing a vacuum chamber in which a substrate is placed, a heater is provided with a heater, made in the form of two interconnecting chambers, one of which contains evaporated material, and the second is equipped with an opening for releasing vapor of the evaporated material onto the substrate characterized in that both chambers are coaxial and coaxial with the evaporator, the second chamber being cylindrical and located in the central part of the evaporator, an outlet for releasing vapor found on the rear bottom of the evaporator and therein is set a supersonic nozzle, the upper portion of the evaporator is provided with a removable cover.

2. The device according to claim 1, characterized in that the cover has openings for installing temperature and vapor pressure sensors in the chambers.