MODUŁOWE STANOWISKO BADAWCZE DO PROCESÓW PVD POZWALAJĄCE NA WDRAŻANIE NOWATORSKICH TECHNOLOGII INŻYNIERII POWIERZCHNI

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 197 Jan PRZYBYLSKI, Andrzej MAJCHER Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom MODUŁOWE STANOWISKO BADAWCZE DO PROCESÓW PVD POZWALAJĄCE NA WDRAŻANIE NOWATORSKICH TECHNOLOGII INŻYNIERII POWIERZCHNI Słowa kluczowe PVD, system sterowania, inżynieria powierzchni, stanowisko badawcze. Streszczenie W artykule przedstawiona została koncepcja budowy modułowego stanowiska badawczego do prowadzenia i wdrażania innowacyjnych technologii PVD w inżynierii powierzchni. Opracowane hybrydowe, wielofunkcyjne stanowisko badawcze pozwoli na realizację unikatowych technologii inżynierii powierzchni. Podstawę opracowanego stanowiska badawczego stanowi unikatowa komora próżniowa. Charakterystyczną cechą zaprojektowanej komory procesowej jest rozmieszczenie otworów technologicznych pozwalające na wytworzenie złożonej plazmy w ramach możliwości jednoczesnej pracy różnych rodzajów źródeł plazmy, których rozmieszczenie geometryczne pozwala na ich wzajemne działanie w centralnej przestrzeni komory. Innowacyjnym elementem opracowanego stanowiska technologicznego jest specjalistyczny moduł load-lock pozwalający na umieszczanie i wyjmowanie substratów bez konieczności przerywania procesu technologicznego. Ważnym elementem stanowiska będzie układ do analizy spektralnej plazmy i wykorzystania do sterowania procesem jej wytwarzania. Modułowa budowa stanowiska pozwoli na wygodną rekonfigurację na potrzeby wdrażanych nowych technologii.

2 198 PROBLEMY EKSPLOATACJI Wprowadzenie Wzrost wymagań jakości i niezawodności współczesnych maszyn i narzędzi, rosnące zapotrzebowanie na materiały funkcjonalne o coraz doskonalszych parametrach wpływa na rozwój innowacyjnych plazmowych technologii inżynierii powierzchni [1]. Istotną barierą w opracowaniu nowych procesów i przetwarzaniu je w dojrzałe technologie są ograniczenia instrumentarium procesowego, od którego wymagana jest z jednej strony perfekcyjna realizacja procesu, a z drugiej podatność na konfigurację w formie zwartego stanowiska technologicznego. Budowa docelowego stanowiska technologicznego na etapie opracowywania i doskonalenia procesów jest nieracjonalna z przyczyn technicznych i ekonomicznych. Nieuniknione zmiany w metodach prowadzenia procesu prowadzą często do zasadniczych zmian wyposażenia sprzętowego, co jest działaniem niezwykle kosztownym i trudnym, a niejednokrotnie niemożliwym technicznie. Dla wielu innowacyjnych procesów konieczne jest opracowanie specjalizowanych sprzętowych jednostek wyposażenia, które w dużym stopniu kształtują strukturę przyszłego stanowiska. Urządzenia związane z technologiami fizycznego nanoszenia w próżni z udziałem plazmy (PA PVD), istniejące w kraju, nie są przystosowane do wykonywania specjalistycznych badań z wykorzystaniem specjalizowanych modułów technologicznych i w szerokim zakresie zmian warunków i wyposażenia procesowego. Ich zadaniem jest realizacja konkretnych, już opracowanych technologii. Tylko nieliczne firmy światowe posiadają lub mogą wykonać takie stanowiska badawcze. 1. Budowa komory próżniowej Przykładem rozwoju technologii plazmowych inżynierii powierzchni są rezultaty krajowego programu badawczego PBZ-4 pt.: Rozwój nanotechnologii w inżynierii powierzchni. Różnorodność technologii opracowywanych w tym programie, w powiązaniu z wielowymiarowością rozwiązywanych problemów oraz perspektywami możliwych dalszych modyfikacji, wskazały realną potrzebę wytworzenia wielofunkcyjnego stanowiska badawczego służącego rozwojowi innowacyjnych technologii PA PVD. Doświadczenia zdobyte w czasie prowadzonych badań pozwoliły na opracowanie wytycznych do budowy nowoczesnej specjalistycznej komory roboczej wyposażonej w szereg nowatorskich rozwiązań. Jednym z ważnych założeń projektowych była modułowa budowa stanowiska pozwalającego na łatwą zmienność konfiguracji komory roboczej do prowadzenia badań w zakresie technologii PA PVD oraz pilotowych wdrożeń technologii i oprzyrządowania próżniowego. Na rys. 1 przedstawiona został model bryłowy komory roboczej.

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI Rys. 1. Model bryłowy modułowej komory roboczej Elementami charakterystycznymi zaprojektowanej komory jest między innymi wymienna ściana (1) przednia pozwalająca na jej modernizację dostosowaną do potrzeb planowanych procesów technologicznych. Na prezentowanej ścianie w centralnym miejscu umieszczono przepust technologiczny pozwalający na zamontowanie wielkogabarytowego źródła plamy. Standardowo można w tym przepuście umieścić łukowe wysokowydajne źródło plazmy. Na pozostałych płaszczyznach tej ściany znajdują się cztery mniejsze przepusty przystosowane do montażu małych źródeł plazmy (jak np. źródeł magnetronowych) lub specjalistycznych przyrządów pomiarowych (np. pirometrów) czy manipulatorów technologicznych. Istotną cechą rozmieszczenia tych przepustów technologicznych jest fakt, iż ich osie symetrii schodzą w centralnym miejscu komory próżniowej. Pozwala to na uzyskiwanie w tym obszarze plazmy pochodzącej od wszystkich użytych źródeł. W bocznych ściankach komory przewidziano dwa dodatkowe wielkogabarytowe (9) przepusty technologiczne. Kolejnym elementem zaprojektowanej komory roboczej jest podstawa (2), w której umieszczone są kolektory obiegu i rozdziału wody chłodzącej i ogrzewającej, a ich wyprowadzenia i przyłącza znajdują się na specjalnie do tego celu przygotowanej kolumnie (5) pozwalającej na wygodne ich podłączanie do po-

4 200 PROBLEMY EKSPLOATACJI szczególnych miejsc komory lub zamontowanych źródeł plazmy. W podstawie umieszczony jest też moduł dozowania gazów technologicznych (8) pozwalający na pracę z czterema gazami technologicznymi, w tym z gazami wybuchowymi. W komorze przewidziano odpowiednie przyłącza elektryczne (7) oraz wysokoprądowy przepust próżniowy (6) pozwalający na zasilanie dodatkowych grzałek oporowych. W górnej części komory przewidziano specjalistyczny przepust obrotowy z napędem (4) powalający na sterowanie procesem otwierania i zamykania przesłony obrotowej. Interesującym rozwiązaniem zaprojektowanym w komorze roboczej jest specjalistyczny przepust wysokonapięciowy wraz z mechanizmem pozwalającym na przekazanie do komory napędu w dwóch osiach na specjalnie do tego celu opracowany stolik obrotowy. Dwa niezależne napędy elektryczne wyposażone w przekładnie mechaniczne pozwalają na uzyskanie większej swobody w wyborze sposobu przesuwania i obracanie detali w czasie procesu technologicznego. Widok wykonanej komory zgodnie z przyjętymi założeniami zaprezentowano na rys. 2. Rys. 2. Gotowa komora robocza wykonana zgodnie z opracowanym modelem bryłowym

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI Założenia technologiczne Architektura stanowiska będzie ukierunkowana głównie na badania procesów otrzymywania powłok o strukturze nanometrycznej [2]. Przewidziane do aplikacji moduły wyposażenia pozwolą, poprzez sterowanie strukturą powłok w wymiarze nanometrycznym, na wytwarzanie materiałów o ulepszonych i nowych charakterystykach oraz właściwościach funkcjonalnych. Przykładami takich materiałów są m.in.: ultratwarde powłoki o strukturze nanokrystalicznoamorficznego kompozytu (TiN/Si 3 N 4 ) lub strukturze supersieci (TiN/CrN), (CrN/CrAlN), nanopowłoki o wysokiej stabilności termicznej (TiAlCrN, TiAlN/CrN, TiAlN/Mo), powłoki z dużą odpornością na odkształcenia plastyczne (nc-ticn/sicn) czy też powłoki charakteryzujące się niskim współczynnikiem tarcia i dużą odpornością na ścieranie (MoS 2 /Ti, MoS 2 /Zr, MoS 2 /Cr) [3 7]. Intensywnie rozwijanym kierunkiem nowych technologii jest otrzymywanie powłok z barierą cieplną TBC (Thermal Barier Coating). Stanowisko umożliwi prowadzenie prac w tym kierunku, szczególnie z wykorzystaniem wieloźródłowego magnetronowego rozpylania reaktywnego. Innym ważnym kierunkiem nowoczesnych technologii, dla których przeznaczone będzie stanowisko, są procesy hybrydowe typu warstwa azotowana/powłoka PVD z udziałem powłok wieloskładnikowych takich jak: CrAlN, (Ti,Cr,Al.)N, (Ti,Si,Al.)N, (Ti,Cr,Al.,Si)N [8]. Prace badawcze w tym zakresie umożliwią wchodzące w skład stanowiska łukowe źródła plazmy oraz specjalizowany układ zasilania do polaryzacji elementów w procesach dyfuzyjnych. Jednym z ważnych aspektów rozwoju procesów inżynierii powierzchni jest ich modelowanie. Staje się ono obecnie podstawowym narzędziem opisu procesów PA PVD [9] służącym do wyjaśniania takich zagadnień jak: wpływ różnorodnych parametrów na charakterystyki wyładowań w gazach, korelacje pomiędzy właściwościami uzyskiwanych materiałów a warunkami prowadzenia procesów, predykcja parametrów powłok z wykorzystaniem wyników pomiarów zmiennych procesowych, zasady transportu strumieni cząstek i energii ze źródeł plazmy do podłoży (substratów). Proponowane stanowisko badawcze oferuje w tej sferze nowoczesne rozwiązania sprzętowe, m.in.: układ typu load lock oraz przyrządy do diagnozowania plazmy. Układ load lock pozwala na wymianę substratów bez przerywania procesu technologicznego. Umożliwia to, między innymi, zastosowanie matrycy jednakowych substratów do analizy i pomiarów wybranych właściwości uzyskiwanych materiałów na poszczególnych etapach procesu. Pobierane w różnych fazach substraty można poddawać niezależnym, specjalistycznym badaniom laboratoryjnym, których wyniki służą do identyfikacji wartości parametrów i weryfikacji modeli. Przewiduje się również wyposażenie układu load lock w mechanizm pozycjonowania substratów pozwalający na określanie wpływu przestrzennego umiejscowienia podłoży na efekty procesu.

6 202 PROBLEMY EKSPLOATACJI Wyposażenie i sterowanie Wyposażenie pomiarowe stanowiska, oprócz typowej aparatury do pomiarów wartości zmiennych procesowych (przepływomierze gazów, próżniomierze, pirometry z regulowanymi punktami pomiarów) będzie zawierać układ monitorowania emisji plazmy (plasma emission monitoring PEM) [10]. Układem pomiarowym będzie spektrometr optyczny pozwalający na analizę in situ właściwości chemicznych uzyskiwanych materiałów. Klasyczny układ spektrometru, zawierający: optyczny przepust próżniowy, monochromator i fotopowielacz, zastąpiony będzie nowoczesnym, kompaktowym przyrządem ze światłowodowym prowadzeniem wiązki spektralnej i analizatorem z przetwornikiem CCD o szerokim zakresie częstotliwości detekcji linii spektralnych. System sterowania stanowiska będzie umożliwiał implementację różnych algorytmów przetwarzania sygnałów ze spektrometru, takich jak: monitorowanie wybranych linii, regulacja ciśnień cząstkowych gazów wchodzących w skład plazmy. Otwarty system sterowania stanowiska, oprócz typowych funkcji nadzoru, monitorowania, archiwizacji parametrów procesu, zapewnienia bezpieczeństwa obsługi i środowiska, będzie ułatwiał swobodną konfigurację dodatkowych przyrządów diagnozowania plazmy, takich jak: spektrometry mas, sondy elektryczne, interferometry transmisyjne. Podobnie dla energoelektronicznych układów wykonawczych (zasilacze dużej mocy) możliwa będzie wymiana modułów o wyjściach: stałoprądowych (DC), kluczowanych (pulsed DC), częstotliwości radiowej (RF), sinusoidalnych (AC) przy polaryzacjach unipolarnych i bipolarnych [11]. W warstwie oprogramowania systemu możliwe będzie wprowadzanie matematycznych modeli procesu, zaawansowanych procedur sterowania [12] (regulacja PID typu gain scheduling, regulacje predykcyjne, regulacje rozmyte i wykorzystujące sieci neuronowe, regulacje stochastyczne, sterowanie w warstwie optymalizacji procesów i warstwie zarządzania). Modułowość i rekonfigurowalność stanowiska może być w szerokim zakresie wykorzystana w celach dydaktycznych i szkoleniowych. Do prowadzenia pokazowych procesów dostępne będą uproszczone warianty stanowiska przeznaczone głównie dla laboratoriów dydaktycznych wyższych uczelni kształcących kadry w obszarze inżynierii powierzchni. System sterowania stanowiska daje także sposobność do zdalnej prezentacji złożonych procesów z wykorzystaniem sieci Ethernet. Również zdalna, aktywna kontrola parametrów procesów jest oryginalną cechą planowanego systemu. Ułatwia stosowanie do celów edukacyjnych, dając możliwość wprowadzania nowych metod dydaktycznych przy zachowaniu pełnego bezpieczeństwa uczestników bez konieczności szkolenia w zakresie bezpieczeństwa obsługi urządzeń próżniowych i wysokonapięciowych.

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 203 Podsumowanie Proponowane stanowisko badawcze może znaleźć zastosowanie przy zakupie i wdrażaniu nowych technologii, szczególnie specjalizowanych technologii niszowych, gdyż pozwala w krótkim czasie zestawić układ sprzętowy do ich realizacji lub też testować wybrane moduły, takie jak np. nowe źródła plazmy, kolimatory, separatory mikrokropli. Wszechstronne zastosowania stanowiska od badań procesów plazmowych, ich modelowania poprzez szkolenia i dydaktykę do opracowywania dedykowanych układów pomiarowych i wykonawczych sprawiają, że może stać się ono ważnym elementem w rozwoju innowacyjnych procesów technologicznych inżynierii powierzchni. Zaprojektowane stanowisko umożliwi: efektywniejsze opracowywanie nowych procesów, których złożoność determinuje konieczność wykonywania dużej liczby wieloaspektowych badań, przesądzających o późniejszej konstrukcji docelowego stanowiska technologicznego, rozwój metod dydaktycznych i szkoleniowych, wykorzystujących modułowość stanowiska, które w różnych wersjach, w tym uproszczonych, przeznaczonych do realizacji klasycznych procesów, może być używane w laboratoriach wyższych uczelni, ośrodkach badawczych i przemysłowych, modelowanie procesów próżniowo-plazmowych inżynierii powierzchni, przy zastosowaniu metod identyfikacji i weryfikacji modeli wykorzystujących rozbudowane układy pomiarów parametrów procesów oraz kontroli in situ cząstkowych efektów poszczególnych faz procesów. Praca naukowa wykonana w ramach realizacji Programu Strategicznego pn. Innowacyjne systemy wspomagania technicznego zrównoważonego rozwoju gospodarki w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka. Bibliografia 1. Donet C., Erdemir A.: Surf. Coat. Technol. 76, p , Mazurkiewicz A. (ed.): Nanonauki i nanotechnologie stan i perspektywy rozwoju, ITeE PIB, Soderberg H.: Microstructural characterization and hardening behavior of reactive magnetron sputtered TiN/Si 3 N 4 multilayer thin films, Lulea University of Technology, Yang Q., Zhao L.R., Vac J.: Sc. Technol. vol. 21, issue 3, 558, Youn J. Kim, Tae J. Byun, Jeon G. Han: Superlattices and Microstructures 45, 73, Raveh A., Zukerman I., Shneck R., Avni R., Fried I.: Surf. Coat. Technol. 201, 6136, 2007.

8 204 PROBLEMY EKSPLOATACJI Jedrzejowski P., Klemberg-Sapieha J.E., Martinu L.: Thin Solid Films 466, p. 189, Kułakowska-Pawlak B., Walkowicz J., Żyrnicki W., Smolik J.: Vacuum 78, p , Lugscheider E., Papenfuß-Janzen N.: Surf. Coat. Technol., , , Safi I.: Surf. Coat. Technol. 127, p , Majcher A., Gospodarczyk A., Mrozek M., Przybylski J.: Problemy Eksploatacji 3, p , Mazurkiewicz A., Dobrodziej J.: Proceedings of the 4 CONTECSI, International Conference on Information System Technology Management TECSI FEA, Sao Paulo, Recenzent: Andrzej MICHALSKI Modular test stand for PVD processes, allowing the implementation of innovative surface engineering technology Key words PVD, control system, surface engineering, test stand. Summary The article presents the concept of modular construction of the test stand to lead and implement innovative PVD technology in surface engineering. Developed hybrid, multifunctional test stand will allow implement a unique surface engineering technology. The basis of the developed test stand is an unique vacuum chamber. A characteristic feature of the vacuum chamber is designed arrangement of vacuum flange enabling produce a complex plasma by simultaneous operation of different types of plasma sources. Their geometric arrangement allows their mutual action in the central area of the chamber. Innovative element of the developed test stand is a specialized load lock module allowing the placement and removal of substrates without interrupting the process. An important element of the stand will be a system for spectral analysis of plasma and use this analysis to control the plasma generation process. Modular design allows the user to conveniently reconfigure the stand for new technologies implementation.