Projets:Perso:2012:Vacuum-chamber

Caractéristiques du projet

• Nom : Vacuum Chamber
• Auteur : Zenos
• Démarrage : 03/11/2012
• Tags : vacuum
• Lieu : Electrolab

le projet

Réalisation d'une cuve ultravide servant d'outil pour la réalisation de projets :

• Métallisation de miroirs (fab de telescope)
• Dépôts couche mince (filtres optiques, outillages spécifiques, …)
• Soudure par faisceau d'électrons
• Accélérateur à ondes de plasma
• Physique des plasmas
• Déposition de couche métallique sur miroir de télescope
• Microscope électronique à balayage
• Test et design de sources plasma
• Test et design de moteurs ioniques
• Pas de fusion, naaaaaaan :)
• Pas d'expériences sur les disruptions et autres joyeusetés
• Sêchage de résines

Ces différents projets pourront donner lieu à la réalisation de plusieurs cuves différentes en fonction des besoins en équipement, des conditons de fonctionnement, de la pollution des parois. Un tri est donc nécessaire pour déterminer les caractéristiques de chaque cuve.

Pourquoi le réaliser en DIY : Systèmes industriels souvent spécifiques, toujours très chers (env 250k€)

• Réalisation possible d'un outil modulaire pour environ 15k€ :
• Récupération d'une structure de base
• Remplacement d'acquisition classiques par fabrication en interne
• Portes modulaires : une par type d'expérience) permettant une adaptation (conception, financement) par projet

Le vide

La cuve

Base de départ et premiers essai

• Essais de plasma en vide primaire
• Divers essais de modification, essais des différentes alimentations et des pompes primaires disponibles

Phase d'optimisation

• Détermination des besoins
  • Pompes turbo
  • Brides
  • Renforts plus importants
  • Modification de la porte
  • Traversées électriques

Premier batch de modifications

• Suppression des renforts d'origine
• Soudure des renforts

• Ajout de brides et éléments de tuyauterie

Fabrication d'un outil dédié

• Ajout de traversées électriques
• Ajout d'un cadre pour placer le joint de porte

• Surfaçage du cadre pour assurer une portée uniforme

Les brides

• choix des brides type CF => inox

Sélection et adaptation des joints

DN 40

• sciage
• dressage
• pointage CNC
• percage
• evidage si besoin
• mise au diametre : faux plateau chrome moly
• usinage du couteau

DN 100

• sciage
• achat mors inversés

Sciage

Perçage et taraudage

Deux tentatives infructueuses pour le tauraudage : les tarauds ont été cassés dans les trous. Solution alternative réalisée : souder des tubes dans les brides après reprises de l'usinage intérieur, puis soudure des tubes sur la cuve. Cette solution nécessite de réaliser une soudure intérieure, mais permet d'utiliser des boulons en lieu et place des vis.

Alimentation des éléments internes : les traversées électriques

Pompage

Pompes turbomoléculaires

• TPH 200 + controleur TCP 200 : La documentation a été récupérée auprès du constructeur malgré un arrêt de la fabrication en ... 1978 :)

Reste à faire : adaptation sur la cuve : l'adaptateur n'est pas très facipe à serrer (vis peu accessibles) et est source de fuites.

• TPH 170 : manque le controleur TCP 300

Les sources de plasma

Un plasma c'est quoi ?

C'est un état de la matière dans lequel les atomes sont ionisés. Un plasma est donc constitué d'ions et d'électrons séparés les uns des autres.

Fonctionnement de la source de plasma

Source DC ou source à effet Hall

La forte différence de potentiel entre les deux électrodes ionise les atomes de gaz présents. La présence d'un champ magnétique, produit par les aimants, permer de donner une vitesse déterminée aux ions ainsi produits.

Source RF

Ici on essaie de transmettre l'énergie par résonnance avec les atomes/molécules de gaz présents. La fréquence de résonnance utilisée ici est de 13,56 Mhz.

Contraintes de fabrication

La chambre à vide et un projet "DIY" et doit donc pouvoir être réalisée, dans la mesure du possible, avec les moyens de l'Électrolab. Le corps de la pièce (1) est tourné, il sert de support à tous les autres élements, mais constitue aussi une des électrodes. L'électrode principale (2) est insérée dans le corps. Les aimants ont pour but de diriger le flux de plasma depuis la source vers la cible du dépôt.

Fabrication des sources plasma

La petite taille des pièces à usiner a nécessité quelques adaptations dans la méthode de fabrication et dans la conception initiale de la source :

• Les défauts de géométrie de notre tour actuel ont nécessité l'usinage d'un faux plateau afin de pouvoir retourner la pièce sans desserer le mandrin (ce qui aurait entaîné un écart de concentricité).

La microbalance à Quartz

C'est quoi ?

Une microbalance à quartz sert à quantifier un dépôt, c'est à dire à déterminer la masse de matériau déposée sur une surface donnée. Si le dépôt est homogène, on peut donc déterminer l'épaisseur de ce dépôt.

Fonctionnement

Le quartz est monté en oscillateur. On utilise pour cela un montage composé de quatre portes logiques.

Montage tiré du site de Sonelec : [1]

A vide, le montage possède une fréquence de résonance propre. Cette fréquence dépend de la masse du quartz. Lors du dépôt, cette masse change, entraînant une variation de la fréquence de résonance. Un circuit de détection, ou un simple fréquencemètre, permet de mesurer la variation de fréquence et donc de retrouver la variation de masse. Partant du principe que l'épaisseur du dépôt est constante sur toute la surface cible (donc le quartz), on peux déduire de la différence de fréquence la différence de masse du quartz, et donc l'épaisseur du dépôt réalisé.

Étapes du développement du circuit

1. Choisir le schéma du circuit
2. Sourcer les composants
3. Tester le quartz
4. Valider un montage sur breadboard, sans le quartz
5. Valider le montage avec le quartz
6. Réaliser le PCB sous Kicad, puis tirer la board
7. Réaliser un test final de la board

Adaptation à la cuve

Les contraintes du montage sont les suivantes :

• Le montage doit demeurer étanche.
• Les quartz doivent pouvoir être remplacés.
• La surface du quartz exposée à la cuve doit être connue et fixe.
• Un bon contact électrique doit être maintenu entre le quartz et la partie fixe du circuit.

Montage pour évaporation

Ce montage est constitué d'un creuset, d'un moyen de chauffage et d'une microbalance à quartz. il permet d'évaporer un métal au moyen d'un chauffage ohmique, RF ou par ablation laser. Pour le moment seul le montage pour chauffage ohmique est réalisé et prêt à être monté.

Autres versions

• Version en plexyglass avec pièce de raccordement en aluminium.
• Le nylon a une fâcheuse tendance à fondre aux températures normales d'utilisation de la cuve

Vue générale  :

Jauge de vide :

pompe turbo :

Manomètre :

Purge et injection: