авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Магнетронные распылительные системы и технологии нанесения энергосберегающих покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Захаров Александр Николаевич

Магнетронные распылительные системы и технологии нанесения энергосберегающих покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки

05.27.02 - вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск- 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте сильноточной электроники

Сибирского отделения РАН

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук,

Сочугов Николай Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

Юшков Георгий Юрьевич

(Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники

СО РАН, г. Томск)

доктор физико-математических наук,

Кагадей Валерий Алексеевич

(ЗАО «НПФ «Микран», г. Томск)

Ведущая организация: Иркутский государственный университет, г. Иркутск

Защита состоится «28» июня 2011 г. В 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.031.01 в Учреждении Российской академии наук Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 2/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института сильноточной электроники

СО РАН

Автореферат разослан «23» мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профессор В.В.Рыжов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Листовое архитектурное стекло является одним из самых распространенных строительных материалов. Мировой объем его производства растет ежегодно на 4–5% и в настоящее время составляет 6,2 млрд. м2. Тенденцией двух последних десятилетий является быстрое увеличение доли стекла, подвергающегося дальнейшей переработке. Если в 1995 г без дополнительной переработки использовалось 66 % плоского стекла, то в первой декаде 21 века эта цифра снизилась до 42%. Наибольший рост произошел на сегменте стекол с различными видами покрытий: с 7 до 25%. Так же быстро растет и объем производства ламинированных стекол. Современные ламинирующие пленки могут иметь те же функциональные характеристики, что и стекла с покрытиями, т.е. могут быть низкоэмиссионными, солнцезащитными и т.д.

Основной причиной роста производства стекол с покрытиями стало ужесточение требований к энергоэффективности окон во многих странах мира. Требование снижения потерь тепла через окна в течение отопительного периода ведет к необходимости использования стекол с низкоэмиссионными покрытиями. Снижение затрат на кондиционирование возможно при использовании стекол с солнцезащитными покрытиями, наиболее перспективными из которых являются покрытия с электрически изменяемой прозрачностью (электрохромные покрытия).

В настоящее время основным методом нанесения тонкопленочных покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки является магнетронное распыление. Несмотря на достаточно развитые технологии нанесения низкомиссионных и солнцезащитных покрытий, исследования в этой области продолжаются. Их актуальность связана с необходимостью создания более дешевых и стойких покрытий, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками. Актуальными задачами являются также улучшение характеристик магнетронных распылительных систем (МРС) с целью нанесения равномерных по толщине пленок на подложки большой площади с высокой скоростью, а также уменьшение стоимости процесса напыления. Для достижения оптимальной структуры и свойств покрытий, зачастую важно регулировать плотность ионного тока на подложку и энергию бомбардирующих ее ионов. Метод магнетронного распыления обеспечивает контролируемое изменение условий осаждения покрытия, определяющих характеристики наносимого покрытия.

Таким образом, актуальной задачей в области нанесения тонкопленочных покрытий, является совершенствование технологий магнетронного распыления и улучшение эксплуатационных характеристик МРС для нанесения энергосберегающих покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки

Цель работы состояла в разработке методов, технологий и эффективного технологического оборудования, в том числе МРС для нанесения энергосберегающих (низкоэмиссионных и электрохромных) тонкопленочных покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие задачи:

1) Разработка технологической установки для магнетронного нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла. Проведение исследований протяженных МРС с целью повышения равномерности толщины наносимых покрытий. Разработка промышленной технологии нанесения низкоэмиссионных покрытий со структурой оксид / металл / оксид на архитектурные стекла размером 1,6 2,5 м2.

2) Создание экспериментальной установки для магнетронного нанесения низкоэмиссионных покрытий на полимерную пленку. Разработка структуры многослойного низкоэмиссионного покрытия, обладающего высокой стойкостью к внешним воздействиям.

3) Разработка магнетронного метода получения на стекле твердотельного электрохромного устройства (ЭХУ).

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Показано, что конфигурация магнитного поля в области изменения направления дрейфа электронов в протяженном магнетроне оказывает значительное влияние на однородность распыления катода магнетрона по всей его длине.

2. Показана перспективность использования в составе многослойного низкоэмиссионного покрытия барьерных слоев из тонких пленок оксида цинка, легированного галлием, получаемых магнетронным распылением проводящей ZnO:Ga мишени в атмосфере аргона.

3. Показано, что использование сильноточного импульсного магнетронного разряда для нанесения медного слоя низкоэмиссионного покрытия увеличивает его прозрачность в видимом диапазоне, сохраняя высокий коэффициент отражения в инфракрасном диапазоне длин волн.

4 Показано, что ионная бомбардировка растущей пленки оксида тантала оказывает негативное влияние на протонную проводимость пленки твердого электролита из гидратированного оксида тантала. Максимальная протонная проводимость пленок оксида тантала достигается при минимальной плотности ионного тока.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Создана технологическая установка для нанесения энергосберегающих низкоэмиссионных покрытий на архитектурное стекло. За время эксплуатации установки произведено около 500000 м2 стекла с низкоэмиссионным покрытием. Испытания стеклопакетов с низкоэмиссионным стеклом показали, что их значения приведенного сопротивления теплопередаче соответствуют требованиям ГОСТ ГОСТ 26602.1-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче».

2. Создана опытная установка для нанесения стойких низкоэмиссионных покрытий на полимерную пленку. Тепловой экран из такой пленки, установленный в окно марки ОР 15-13,5, увеличивает его приведенное сопротивление теплопередаче с 0,38 м2°С/Вт до 0,73 м2°С/Вт, чем достигается двукратное снижение потерь тепла.

3. Создано оборудование и в лабораторном масштабе реализован магнетронный метод получения на стекле пятислойного, полностью твердотельного ЭХУ.

Практическая реализация результатов работы. На основании проведенных исследований были изготовлены и поставлены заказчикам:

- Технологическая установка для нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла, г. Красноярск, ЗАО «Сибирская стекольная компания», 1999 г.

- Технологическая установка для нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла, г. Сургут, ЗАО «Субос», 2001 г.

- Ионные источники с замкнутым дрейфом электронов, Maxford Technology Ltd., Гонконг, Китай, 2006 г.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в активном участии в создании экспериментальных и технологических установок, выборе методик эксперимента, проведении исследований и анализе их результатов. Обсуждение задач исследований проводилось с научным руководителем Н.С. Сочуговым. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации, на основании которых созданы установки и разработаны технологии для нанесения энергосберегающих низкоэмиссионных и электрохромных покрытий. Фамилии соавторов, участвовавших в проведении исследований, указаны в работах, опубликованных по теме диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1  Конфигурация и величина магнитного поля в области изменения направления дрейфа электронов в протяженной магнетронной распылительной системе с цилиндрическим катодом, формирующей два противоположно направленных потока распыленных атомов, определяет квазипериодическое изменение концентрации плазмы и скорости распыления катода вдоль всей магнетронной распылительной системы. Равномерность толщины покрытия увеличивается при использовании двух магнетронных распылительных систем с противоположными направлениями дрейфа электронов.

2. Многослойное низкоэмиссионное покрытие с защитными слоями из легированного галлием оксида цинка, полученными магнетронным распылением проводящей ZnO:Ga мишени в атмосфере аргона, имеет влагостойкость выше, чем покрытие с защитными слоями из нержавеющей стали. Оптимальным с точки зрения влагостойкости, прозрачности в видимом диапазоне и отражения в инфракрасном диапазоне является низкоэмиссионное покрытие с прозрачностью 82  % и отражением 93 % со структурой TiO2(10 нм)/ZnO:Ga(20 нм)/ Ag(9 нм)/ZnO:Ga(28 нм)/TiO2(20 нм).

3. Использование сильноточного (0,2-1 кА) импульсного магнетронного разряда для нанесения слоя меди в составе многослойного низкоэмиссионного покрытия увеличивает прозрачность покрытия в видимом диапазоне длин волн до 67 % при неизменном отражении в инфракрасном диапазоне.

4. Протонная проводимость тонких пленок оксида тантала, наносимых методом магнетронного распыления танталовой мишени в смеси аргона и кислорода, измеренная в жидком электролите (0,5 М водный раствор ацетата натрия) повышается с 1,510-10 См/см до 410-10 См/см при уменьшении плотности ионного тока на подложку, определяемого уровнем несбалансированности магнетронной распылительной системы с 1- 2 мА/см2 до 0,1 – 0,2 мА/см2.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих методик, сравнением полученных результатов с результатами других исследователей, практической реализацией научных положений и выводов при создании конкретных устройств, используемых в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом.

Апробация работы и публикация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 17-м международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Беркли, США, 1996); 5-й международной конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы (Томск, 2000); 6-й международной конференции по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы (Томск, 2002); 9-й международной конференции по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы (Томск, 2008); 10-й международной конференции по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы (Томск, 2010).

Результаты исследований изложены в 8 статьях и 5 докладах международных конференций. Получены два патента РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. В работе 158 страниц, включая 115 рисунков, 15 таблиц, 2 приложения. Список литературы включает 147 наименований.

Во введении обосновывается актуальность, цель, научная новизна и практическая ценность работы. Излагается краткое содержание диссертации и формулируются выносимые на защиту научные положения.

В первой главе сделан анализ современного состояния технологии и техники нанесения многослойных тонкопленочных покрытий с помощью МРС. Рассмотрены основные виды тонкопленочных энергосберегающих покрытий на архитектурных окнах и полимерных пленках (низкоэмиссионные и электрохромные), приведены их характеристики, описаны технологические устройства и установки для их нанесения. Описаны основные типы МРС: несбалансированные, дуальные, с импульсным питанием, сильноточные. Проведен анализ факторов, определяющих равномерность толщины наносимых покрытий, и методов ее повышения. Сделан вывод, что наиболее перспективным для нанесения покрытий на листовые и рулонные материалы являются МРС с цилиндрическими катодами и с импульсным питанием. Рассмотрен перспективный метод получения тонкопленочных покрытий - сильноточное импульсное магнетронное распыление. Далее кратко рассматриваются процесс ионно-плазменной обработки подложек как метод увеличения адгезии наносимых покрытий и некоторые конструкции источников ионов и плазмы. Делается вывод, что в технологиях напыления покрытий для процесса предварительной очистки подложек большой площади целесообразно использовать простые и надежные ионные источники с анодным слоем. В качестве итога Главы 1 выделяются основные направления исследований и конкретизируются поставленные задачи.

Во второй главе описаны экспериментальное оборудование и методики исследования характеристик разработанных устройств, параметров плазмы и свойств получаемых покрытий. Приведена схема лабораторной установки для нанесения тонкопленочных покрытий. Представлены конструкции протяженных МРС с цилиндрическим и планарными катодами, МРС с внешней электромагнитной катушкой, несколько конструкций ионных источников с анодным слоем. Даны характеристики и электрические схемы источников питания для МРС и ионных источников.

В третьей главе представлены результаты создания оборудования и технологии для нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла. Описывается созданная технологическая установка «ВНУК», предназначенная для нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла размером 1,62,5м2. Основные узлы установки приведены на рисунке 1.

В вакуумной камере 1 высотой 2.5 м и шириной 0.4 м вертикально размещаются стекла 3, между которыми перемещается каретка 4 с технологическими источниками. При длине камеры 4.5 м, в ней устанавливаются два, а при длине 7 м – четыре стекла. На каретке размещаются четыре МРС 5 с цилиндрическими катодами, формирующими два потока распыленных атомов 6, направленных в противоположные стороны. Там же расположен ионный источник с анодным слоем 7, формирующий расходящийся ионный пучок, падающий на поверхность стекол под углом около 45. Водоохлаждаемая система анодов 8 обеспечивает также равномерное распределение рабочего газа вдоль технологических источников. Время прохода каретки вдоль камеры регулируется частотой вращения мотор – редуктора и меняется от 40 секунд до 4 минут. В установке реализована технология нанесения низкоэмиссионного покрытия структуры: оксид титана – нержавеющая сталь – серебро – нержавеющая сталь – оксид титана. Слои покрытия наносятся последовательно. Измерение характеристик каждого слоя производится непосредственно в ходе техпроцесса с помощью системы оптического контроля, включающей источник света 9 и систему регистрации 10. Измерение прозрачности стекол на выделенной длине волны позволяет контролировать характеристики каждого слоя низкоэмиссионного покрытия. Основные параметры установки «ВНУК» приведены в Таблице 1.

Далее приводятся результаты исследования влияния конфигурации магнитного поля в протяженной МРС, формирующей два противоположно направленных потока распыленных атомов, на равномерность толщины наносимых покрытий. Проведенные исследования показали, что равномерность толщины покрытия определяется не только равномерностью магнитного поля вдоль зоны распыления, но также его конфигурацией и величиной в области изменения направления дрейфа электронов. Конструкция МРС позволяла проводить независимые измерения параметров плазмы магнетронного разряда над каждой дорожкой распыления и оценить равномерность толщины покрытия, наносимого каждой из них.

Неравномерность магнитного поля на линейных частях зоны распыления не превышала ±5%. Для оценки равномерности толщины покрытий были получены образцы пленок оксида титана на стеклах с зеркальным покрытием, размером 16030 см2.

Таблица 1 Технические характеристики установки «ВНУК».

Характеристика Значение
Габариты: длина, высота, ширина (м) 4,5 (7,0); 2,5;1,7
Общая площадь под установку, м2 150 (200)
Расход воды за рабочий цикл, м3 1,2 (1,5)
Средняя потребляемая мощность, кВт 30 (40)
Максимальная потребляемая мощность, кВт 80 (90)
Количество стекол 1,6 2,5 м2, обрабатываемых за один цикл, шт 2 (4)
Средняя длительность рабочего цикла, мин. 70 (90)
Объем выпускаемой продукции за месяц
- тонированные стекла и зеркала, м2 6000 (8000)
-стекло с низкоэмиссионным покрытием, м2 3000 (4000)


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.