Comparación del rendimiento de los objetivos rotatorios de mangas plateadas con los objetivos planares

- Jul 12, 2019-

Comparación de rendimiento de

Objetivos rotatorios de mangas plateadas con objetivos planares

 

RESUMEN

Las películas delgadas de plata se utilizan como una capa funcional en muchas pilas para aplicaciones que reflejan el calor. En la actualidad, las pilas de revestimiento de gran área se producen por deposición de salpicadura de magnetrón y, a menudo, a partir de objetivos cilíndricos giratorios. Las ventajas inherentes de la rotación de la tecnología de objetivo cilíndrico sobre los cátodos planos ya son bien conocidas. Sin embargo, la plata sigue siendo uno de los pocos objetivos de metal que no están disponibles en versión cilíndrica giratoria. Las razones de esto están relacionadas con el costo, la resistencia mecánica y el manejo.

En este documento, se propone un nuevo enfoque para realizar objetivos rotativos de Ag en el que los manguitos cilíndricos se montan y se unen a un tubo de respaldo. Se comparan varios diseños cilíndricos y se comparan con objetivos planos. Se evalúan los parámetros relacionados con el proceso y el producto, como la estabilidad del proceso, el índice de sputter, la uniformidad y la calidad de la película. Se discute la influencia de la carga de calor del plasma y los esfuerzos mecánicos térmicamente inducidos resultantes en el rendimiento del objetivo Ag, tanto a nivel mecánico como a nivel del proceso. Los objetivos se evaluaron durante las distintas etapas de su vida útil para determinar si el rendimiento era estable y se podía predecir de manera confiable.

 

INTRODUCCIÓN

La plata se ha utilizado durante algún tiempo como la principal película reflectante de infrarrojos en recubrimientos ópticos. Las sobresalientes propiedades eléctricas y térmicas inherentes de la plata garantizan que los blancos plateados salpiquen fácilmente y sean estables en la mayoría de los entornos operativos típicos. La plata se fabricó principalmente y se pulverizó en forma plana, principalmente debido al hecho de que la fabricación de plata se realiza en cantidades mucho más pequeñas que el cobre, el aluminio o el titanio. El equipo empleado típicamente para producir plata es mucho menos significativo en alcance y volumen que el utilizado para otros materiales comerciales.



PROCEDIMIENTOS DE EXPERIMENTO

Comparación de Diseños

De acuerdo con los objetivos de este experimento, se evaluaron varios diseños de objetivos diferentes para examinar las ventajas y limitaciones de cada diseño basado en lo que los posibles usuarios de la tecnología encontrarían al implementar objetivos rotativos de plata en sus sistemas de producción.

Se evaluaron cuatro diseños. Ellos incluyeron:

  • Mangas ligadas al indio

  • Mangas montadas mecánicamente.

  • Mangas de montaje mecánico aumentadas con pasta conductora térmica.

  • tubo monolítico

Los primeros tres diseños se montaron sobre un tubo de respaldo de acero inoxidable de producción estándar, el último diseño se hizo completamente de plata, sin incorporar ningún tubo de soporte para soporte.

El diámetro exterior total del objetivo en cada caso fue de 155 mm (6.1 ”) OD. La longitud deseada fue de 878 mm (~ 35 ”).



Atributos comerciales y limitaciones

Los sistemas de objetivos rotativos tienen la capacidad de pulverizar a una velocidad mayor que los objetivos planares debido a la posibilidad de usar una mayor densidad de potencia. El desempeño del objetivo rotativo es más consistente porque la erosión es más uniforme, la excavación de zanjas que se observa a lo largo de la longitud de los objetivos planos está limitada en un objetivo rotativo hacia los extremos. La utilización también es mayor para los objetivos rotativos, generalmente por encima del 80%, mientras que los objetivos planares promedian alrededor del 30% de rendimiento. En el área de logística y manejo, el uso de manguitos montados mecánicamente permitiría al usuario final quitar y reemplazar los manguitos de destino dentro de sus instalaciones como parte del mantenimiento normal del objetivo. Esto le brinda al cliente pesos de plata más precisos, requiere menos tubos de respaldo y reduce los costos de envío.

Las fundas adheridas no ofrecen ventajas de gestión ni pueden reconstruirse fácilmente dentro de las instalaciones del cliente. Ofrecen la oportunidad para perfiles de superficie y el uso de materiales diferentes cuando sea apropiado para la aplicación final.

Un tubo monolítico ofrece una alta tasa de deposición, la facilidad de medir el rendimiento objetivo y el peso objetivo, pero tiene restricciones potenciales en su capacidad mecánica para abarcar largos largos sin desviarse y no reduce los costos de envío al manejar largos largos.


Controles y mediciones

La ganancia térmica en el objetivo era la propiedad de mayor preocupación para los experimentadores. Intuitivamente, un diseño de funda tendrá más problemas relacionados con la disipación térmica que las piezas sólidas y monolíticas. La transferencia de calor a través de un espacio o a través de un medio de unión también diferirá en la velocidad. Por lo tanto, era de gran importancia medir la ganancia térmica en el objetivo en función de los incrementos incrementales en la potencia de pulverización aplicada. Después de evaluar y rechazar las técnicas de medición térmica externas basadas en la óptica, se encontró que un termopar de contacto era la forma más efectiva de medir la ganancia térmica. Se diseñó un sistema que incorpora un brazo de palanca con resorte para poner el termopar en contacto firme con el objetivo. La carga de contacto fue suficiente para crear una ranura de desgaste en cada uno de los tubos probados. La figura 1 ilustra la superficie marcada.

Figure 1

Figura 1. Punto de contacto del termopar.

Cada objetivo se instaló en el sistema y se pulverizó a una potencia cada vez mayor. Basado en el modelado de procesos y la retroalimentación de la industria, se estableció un objetivo de carga de potencia de 5 kW (en los objetivos de 35 "). Esto proporcionaría una tasa de pulverización catódica comercialmente viable para aumentar la velocidad de la línea del revestidor. Para determinar la envolvente de rendimiento máximo, cada objetivo se ejecutó a niveles de potencia crecientes para identificar posibles mecanismos de falla en cargas de potencia elevadas.


Medida de arco

El comportamiento del arco se midió mediante un sistema desarrollado internamente. En la práctica, los objetivos de plata no son propensos a la formación de arcos debido a su alta conductividad y normalmente están pulverizados en modo metálico. Contar los arcos para los diferentes diseños destacaría los problemas con la conductividad eléctrica o la inestabilidad del plasma.


CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE RECUBRIMIENTO

Sistema de recubrimiento

Se empleó un sistema de cámara única (Figura 2) con sistema de transporte de vidrio para las pruebas. Los tubos de destino se instalaron individualmente y cada serie de pruebas se replicó. Los objetivos fueron operados en modo DC.

Figure 2

Figura 2. Cámara de revestimiento de prueba pequeña


Cámara de gas y presión

Se utilizó argón para todas las pruebas con un caudal de 140 sccm. La presión de la cámara para todas las pruebas fue entre 2.0 - 2.3 x 10 - 3 mbar.


Caudal de agua y temperatura

El caudal se midió para cada prueba junto con las temperaturas de entrada y salida. Los grandes cambios en la temperatura del agua implicarían una buena transferencia térmica. La comparación de las diferencias en cada nivel de potencia ofrece información sobre la transmisión de calor a través de las mangas hasta el tubo de respaldo al agua.


Matriz de imán

El tipo de matriz magnética para todas las pruebas fue el Bekaert AMBV2.1. Esta matriz de imanes ajustables es el diseño típico utilizado para aplicaciones de revestimiento de vidrio de área grande que ofrece una intensidad de campo paralela (tangencial) de alrededor de 500 G en la superficie objetivo y una utilización del objetivo superior al 80% en modo DC y AC. El ángulo incluido entre las secciones de la pista de carreras está entre 30 y 35 grados.



PROCESO Y PARÁMETROS RELACIONADOS CON EL PRODUCTO

Estabilidad del proceso

Cada objetivo se instaló y evaluó individualmente utilizando las mismas condiciones de deposición. Los siguientes parámetros se establecieron como punto de partida para todos los aspectos del experimento.


Tabla 1. Parámetros del proceso

Parámetro

Medición

Sustrato a la fuente de distancia

80 mm

Velocidad de la línea de sustrato

1 metro por minuto

Número de Passe

10

Medida de espesor

34, espaciados a 25 mm


La ventana de sputter en este revestimiento era similar a un entorno típico de recubrimiento de vidrio de área grande.


Tasa de Sputter

La velocidad de pulverización se determinó midiendo el espesor del recubrimiento en cada sustrato a través de Dektak IIa y calculando la velocidad de pulverización en función de la velocidad de línea del sustrato y el número de pasadas.


Perfil de deposición - Uniformidad de recubrimiento

La medición del espesor se realizó utilizando 34 sustratos separados para medir la uniformidad del recubrimiento a lo ancho.


Medios conductivos

Para los dos diseños que incorporaron un medio conductor para promover la conducción eléctrica y térmica entre los manguitos y el tubo de respaldo, se utilizaron los siguientes materiales:

Tubo adherido - Indio puro - MP 156.6 ° C, conductividad térmica (a 85 ° C) .78 W / m ° K

Mecánico con pasta térmica - Dow Corning DC340 - temperatura de funcionamiento máxima - 200 ° C, conductividad térmica .42 W / m ° K



RESULTADOS Y DISCUSIONES

Tabla 2. Tasas específicas de sputter - nm m / min

Nivel de potencia (kW)

Garantizado

Mecánico

montar

Mecánico

con pasta termica

Monolítico

1
27 27 29 27
2.5 70 - 70 70
3.8 - - 108 -
5 135 - 140 140
7.5 198 - 202 200
10 - - 268 254


Tabla 3. Carga de calor - Temperatura de la superficie objetivo - ◦C

Nivel de potencia (kW)

Garantizado

Montaje mecánico

Mecánica con pasta térmica.

Monolítico

1
33.3

260 y aumentando

32-34.5

32
2.5 44 -

42-44.3

38.8
3.8 - -

46.5-52.2

-
5 59.5 -

61 - 65.9

51
7.5 90 - - 63
10

> 200 y en aumento

-

111.5

89


Tabla 4. Máx. Cambio en la temperatura del agua - ◦C -

 

Nivel de potencia (kW)

Garantizado

Montaje mecánico

Mecánico con pasado térmico.

Monolítico

1 0.4 0.5 1 1.5
2.5 1.5 - 2.5 1.8
3.8 - - 2.5 -
5 2.4 - 3.0 3
7.5 6.4 - - 4.5
10 6.3 - 5.7 4.7


Uniformidad de revestimiento

Cada diseño probado mostró propiedades similares de revestimiento de borde a borde. Los sustratos se ciclaron a través de 10 pasadas por debajo del objetivo. La Figura 3 es un ejemplo representativo de la uniformidad del espesor en todo el ancho. La forma de la curva se corresponde con la longitud de la matriz magnética. La caída en ambos extremos se debe a la finitud del objetivo. No se observaron diferencias distintivas en la uniformidad.

Figure 3

Figura 3. Uniformidad de revestimiento de borde a borde (típico)


Limitaciones de cada diseño

En este régimen de prueba, los resultados indican que el objetivo con mangas mecánicas no era un diseño apropiado, el aumento en la temperatura objetivo fue inmediato y dramático. El mismo objetivo cuando se usó junto con una pasta conductora, funcionó mucho mejor, pero con cargas de energía elevadas, la pasta se volvió más fluida y soltaba los huecos de la manga a la manga, lo que causaba eventos de arco. Reducir el volumen de la pasta debido a las fugas también disminuye la capacidad de transferencia de calor del objetivo. Con el tiempo, esto se manifestaría al aumentar las temperaturas objetivo y reducir la vida útil efectiva del objetivo. El objetivo consolidado mostró un buen rendimiento de hasta 7,5 kW. Sin embargo, cuando el objetivo se ejecutó por primera vez a 10 kW, una parte del enlace de indio falló. El rendimiento después de eso fue errático por encima de 5 kW. Como era de esperar, el tubo monolítico proporcionó el mejor resultado general. El objetivo monolítico proporcionó el buen rendimiento en todos los niveles de potencia.


Tensiones mecanicas

La ganancia térmica en el tubo no adherido fue suficiente para causar la expansión lineal de los manguitos del tubo. Tanto es así que el anillo de contención soldado se deformó (ver Figuras 4 y 5). La prueba de este tubo se redujo en este punto. Ninguno de los otros diseños de tubos exhibió ninguna tensión mecánica discernible que obstaculizara el comportamiento del objetivo.

Figure 4

Figura 4. Anillo de retención deformado soldado sin mangas


Arqueando

La velocidad de arco se midió para cada una de las configuraciones de destino. El arco eléctrico fue un problema solo para el tubo que incorpora la pasta conductora. Cuando la pasta conductora se calentó y comenzó a llorar a través de los huecos en las mangas, se observó una alta tasa de arco. De lo contrario, el arco eléctrico solo se veía cuando el termopar se ponía en contacto con el tubo.


Interpretación de envolvente operativo implícito de resultados

Figure 5

Figura 5. Anillo retenedor soldado deformado con mangas montadas

Para cada prueba, el objetivo monolítico se enfrió y proporcionó una tasa de salpicado constantemente alta. No se encontraron problemas que indiquen que 10kW es el límite superior para este diseño.

Las mangas montadas mecánicamente aumentadas con pasta conductora también se desempeñaron bien. La contención y el control de la pasta era un problema y requeriría mejoras en el diseño para garantizar que la pasta sea estable durante toda la vida útil del tubo. Aunque esta configuración de diseño registró la tasa más alta de sputter, las variaciones en las pruebas hacen que esto sea menos significativo. Es posible que el calentamiento objetivo haya contribuido a aumentar la tasa de pulverización.

De manera similar, el objetivo unido a indio cumplió con los requisitos de potencia de 5 kW establecidos para la viabilidad comercial. También mostró una transferencia de calor inestable a 10 kW, después de lo cual la integridad de la unión disminuyó y el objetivo ya no funcionaría de forma consistente a una configuración de potencia superior a 7,5 kW. Dado que esta prueba se aceleró, no es posible determinar en este momento cuál sería la naturaleza de la integridad de la unión para una operación prolongada con un ajuste de potencia de 5 a 7.5 kW. El efecto de la masa del objetivo y la topografía de la superficie podría tener un efecto, ya que el objetivo se erosiona con el tiempo. El indio se derrite a 156.6 ° C. La temperatura de la superficie de hasta 7.5kW fue menor que el punto de fusión, más allá de los 7.5kW, la temperatura estaba por encima de 200 ° C. Cualquier cambio en el volumen de suministro de agua o en las temperaturas, incluso durante un corto período de tiempo, podría causar una falla espontánea de la unión.


CONCLUSIÓN

Varios diseños diferentes fueron evaluados de una manera práctica. Esto se logró usando tecnologías de deposición típicas con hardware fácilmente disponible. Se demostró que el aumento potencial en el rendimiento de deposición es mayor para los objetivos que proporcionan la mejor disipación de los efectos de calentamiento del plasma. El deslizamiento en el rendimiento de la manga fue muy limitado, los posibles factores contribuyentes fueron la excentricidad en el tubo de respaldo y la falta de conducción a lo largo de la longitud hasta los anillos de retención. Los diseños de fundas con un medio de transferencia de calor coherente para llenar los huecos entre la ID de la funda objetivo y el diámetro exterior del tubo de respaldo, funcionaron bien. Cada uno de estos conceptos se beneficiará de las mejoras en la selección del medio, las tolerancias más ajustadas y el ensamblaje. La optimización en estas áreas conducirá a un rendimiento más alto y más consistente.




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