Во всех конструкциях рабочие камеры насосов вместе с выхлопными клапанами находятся ниже уровня масла . К примеру , на рисунке, показано как устроен пластинчато-роторный насос:
А— полость всасывания, В — полость сжатия , цилиндрический корпус- 3, эксцентрично установленный ротор- 4 и пластины- 5, прижимаемые пружиной — 6 к цилиндрическому корпусу насоса. При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой обеспечивается изменение объема рабочей камеры насоса (полости А и В). Откачиваемый объем подключается к патрубку- 2, сжатый газ выбрасывается через клапан — 1. Полость А (сторона всасывания ) при вращении ротора увеличивает свой объем. В нее поступает газ через впускной патрубок — 2, соединяющий насос с вакуумной системой. Полость В (сторона выхлопа ) уменьшает свой объем (происходит сжатие). Когда давление в этой полости станет достаточным для открытия клапана — 1, произойдет выхлоп. В кожух насоса (на рисунке не показан) заливается масло, которое служит вакуумным уплотнителем. Вся рабочая камера насоса (А— полость всасывания, В — полость сжатия вместе с выхлопным клапаном — 1) находится ниже уровня масла. Если разместить два ротора на одном валу и сдвинуть роторы относительно друга на некоторый угол, то получим 2-х роторный насос. Сдвиг обеспечит ротору первой ступени выбросить газ, в это же время ротор второй ступени производит всасывание из вакуумной камеры. Насос подбирается в зависимости от скорости откачки : для откачки 1 м2 площади камеры до значения вакуума в 10(-4) Торр за одну минуту требуется насос со скоростью откачки – 200 л/c. Для дальнейшей откачки вакуумной камеры (достижение более высокого вакуума) используются диффузионные насосы. Элементы диффузионного насоса: паропровод, сопло и диффузор. Конструкция сопла делается так , чтобы струя пара была равномерной и параллельной диффузору (струя пара движется вдоль оси диффузора) . Молекулы газа из откачиваемой вакуумной камеры диффундируют в струю паров вакуумного масла и увлекаются к выходному патрубку диффузионного насоса , откуда откачиваются пластинчато-роторным насосом. Если сделать три паропровода и три сопла ,то получится 3 -х ступенчатый насос ( каждой ступени соответствует свой паропровод и свое сопло) :
Для эффективной откачки вакуумной камеры необходимо, чтобы молекулы газа из вакуумной камеры свободно проникали вглубь струи паров вакуумного масла диффузионного насоса, поэтому выбираются вакуумные масла по давлению насыщенных паров. Наиболее подходящее вакуумное масло – это ВМ1С. Для того ,чтобы вакуумная камера успешно откачивалась нужно устранить «течи» , а в уплотнениях использовать материалы , которые имеют наименьшее выделение газов : нержавеющую сталь, Al, вакуумную резину. Быстро найти место «мини-течей» в вакуумной установке можно по свечению разряда (анализируется свечение плазмы). Для электрических токовых вводов нужно использовать соединения керамика-металл (корундовая керамика с металлами, имеющими малый коэффициент термического расширения).
Конструкции вакуумных камер напыления создаются по принципу распыления:
1. Резистивное испарение. Рабочая среда: вакуум 10-2…10-3 Па. Испарение металлов резистивным нагреванием. Покрытия: Al, , Cu. Возможность получения толстых покрытий.
2. Электронно-лучевое испарение. Вакуум 10-4…10-3 Па. Высокая скорость осаждения. Возможность получения толстых покрытий (до 200 мкм).
3. Вакуумно-дуговое испарение. вакуум 10-3…10-2 Па. Высокая скорость осаждения. Относительная простота технической реализации. В структуре покрытий есть микро капли.
4. Магнетронное распыление. Рабочая среда: чистый газ Ar. Р = 0,05– 1 Па. Плотная микро (нано) кристаллическая структура металлических покрытий при полном отсутствии капельной фазы. На рисунке приведена конструкция магнетрона небольших размеров прямоугольной формы :
1 – мишень, 2 – постоянный магнит, 3 – анод, 4 – источник питания, 5 – плотная плазма, 6 – плазма низкой концентрации, 7 – катодный слой, 8 – подложка.
Магнетроны делают и более массивными. Внешний вид такого магнетрона показан на рисунке:
Конструкция магнетрона в виде трубы делается так , чтобы труба (катод) был съемным. Труба (катод) изготавливается из распыляемого материала и имеет диаметр 10 – 12 см , а в длину около — 1 м. Внутри трубы (катода) расположены магнитная система на основе постоянных магнитов. Магниты расположены вдоль оси катода , причем полюса магнитов ориентируют так , как на рисунке ( N и S меняются ).
Тем самым создается магнитное поле , в виде змейки , вдоль оси катода. В итоге к катоду будет приложено магнитное поле перпендикулярно электрическому полю. Катод (труба) охлаждается протоком холодной воды. Двигатель вращает катод с небольшой скоростью . Вращение катода производится относительно постоянных магнитов. Поэтому в зону распыления будут попадать новые и новые участки катода , что приводит к равномерному распылению всей поверхности трубы ( катода). Распыляемый катод (труба) изготавливается из нержавеющей стали ,меди ,латуни ,бронзы — не магнитных материалов . Электрическое соединение между катодом и заземленной частью камеры должно отсутствовать (сопротивление изоляции не менее 25 МOm ). Распыляется катод (труба) ускоренными ионами рабочего газа (Ar). Ускоренные ионы (+) бомбардируют поверхность катода ,который находится под (–) потенциалом. Рабочее постоянное напряжение от источника питания примерно 300В-400В . Система напуска плазмообразующего газа аргона – это подача газа порциями через определенный промежуток времени . Применяется ПИД управление клапаном напуска газа. Для контроля толщины нанесения металла на подложку используется электрическая схема с кварцевым резонатором. В процессе напыления возможны случаи снижения напряжения разряда ( резко увеличивается ток разряда). Т.е. возникает дуговой разряд , поэтому в источниках питания используется токовая защита ( для погашения дугового разряда). Адгезия металлического слоя ( полученного магнетронным способом напыления ) с подложкой гораздо выше, чем другими видами покрытий в вакууме .