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1、真空镀膜机的详细结构高真空镀膜机，镀膜机是目前制作真空条件应用最为广泛的设备。其相关组成及各部件：机械泵、增压泵、油扩散泵、冷凝泵、真空测量系统.下面本人详细介绍各部分的组成及工作原理。 一、真空主体真空腔 根据加工产品要求的各异，真空腔的大小也不一样，目前应用最多的有直径1.3M、0.9M、1.5M、1.8M等，腔体由不锈钢材料制作，要求不生锈、坚实等，真空腔各部分有连接阀，用来连接各抽气泵浦。 二、辅助抽气系统 此排气系统采用“扩散泵+机械泵罗茨泵低温冷阱polycold”组成 排气流程为：机械泵先将真空腔抽至小于2.0*10-2PA左右的低真空状态，为扩散泵后继抽真空提供前提，之后当扩散
2、泵抽真空腔的时候，机械泵又配合油扩散泵组成串联，以这样的方式完成抽气动作。 排气系统为镀膜机真空系统的重要部分，主要有由机械泵、增压泵（主要介绍罗茨泵）、油扩散泵三大部分组成。 机械泵：也叫前级泵，机械泵是应用最广泛的一种低真空泵，它是用油来保持密封效果并依靠机械的方法不断的改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空。 机械泵有很多种，常用的有滑阀式（此主要应用于大型设备）、活塞往复式、定片式和旋片式（此目前应用最广泛，本文主要介绍）四种类型。 机械泵常常被用来抽除干燥的空气，但不能抽除含氧量过高、有爆炸性和腐蚀性的气体，机械泵一般被用来抽除永久性的气体，但是对水气没有
3、好的效果，所以它不能抽除水气。旋片泵中起主要作用的部件是定子、转子、弹片等，转子在定子里面但与定子不同心轴，象两个内切圆，转子槽内装有两片弹片，两弹片中间装有弹簧，保证了弹片紧紧贴在定子的内壁。 它的两个弹片交替起着两方面的作用，一方面从进气口吸进气体，另一方面压缩已经吸进的气体，将气体排出泵外。转子每旋转一周，泵完成两次吸气和两次排气。当泵连续顺时针转动时，旋片泵不断的通过进气口吸入气体，又从排气口不断的排出泵外，实现对容器抽气的目的。为了提高泵的极限真空度，均将泵的定子浸在油里面这样，在各处的间隙中及有害空间里面经常保持足够的油，把空隙填满，所以油一方面起到了润滑作用，另一方面又起了密封和
4、堵塞缝隙及有害空间的作用，防止气体分子通过各种渠道反流到压强低的空间去。 机械泵是从大气开始工作的，它的主要参数有极限真空，抽气速率，此为设计与选用机械泵的重要依据。单级泵可以将容器从大气抽到1.0*10-1PA的极限真空，双级机械泵可以将容器从大气抽到6.7*10-2帕，甚至更高。 抽气速率，是指旋片泵按额定转数运转时，单位时间内所能排出气体的体积，可以用下公式计算： Sth=2nVs=2nfsL fs表示吸气结束时空腔截面积，L表示空腔长度，系数表示转子每旋转一周有两次排气过程，Vs表示当转子处于水平位置的时候，吸气结束，此时空腔内的体积最大，转速为n。 机械泵排气的效果还与电机的转速及皮
5、带的松紧度有关系，当电机的皮带比较松，电机转速很慢的时候，机械泵的排气效果也会变差，所以要经常保养，点检，机械泵油的密封效果也需要常常点检，油过少，达不到密封效果，泵内会漏气，油过多，把吸气孔堵塞，无法吸气和排气，一般，在油位在线下0.5厘米即可。 增压泵又叫罗茨泵：它是具有一对同步高速旋转的双叶形或多叶形转子的机械泵，由于它的工作原理与罗茨鼓风机相同，所以又可以叫罗茨真空泵，此泵在100-1帕压强范围内有较大的抽气速度，它弥补了机械泵在此范围内排气能力不足的缺点，此泵不能从大气开始工作，也不能直接排出大气，它的作用仅仅是增加进气口和排气口之间的压差，其余的则需要机械泵来完成，因此，它必须配以
6、机械泵作为前级泵。机械泵在使用过程中，必须注意以下问题： 1、机械泵要安装在清洁干燥的地方。 2、泵本身要保持清洁干燥，泵内的油具有密封和润滑作用，因此要按照规定量添加。 3、要定期更换泵油，更换的时候要先排出以前的废油，周期为至少三个月至半年更换一次。 4、要按照说明书接好电线。 5、机械泵停止工作前要先关闭进气阀门，再停电并开放气阀，将大气通过进气口放入泵中。 6、泵在工作期间，油温不可以超过75摄氏度，否则会由于油的黏度过小而导致密封不严。 7、要不定期检点机械泵的皮带松紧度、电机的转速，罗茨泵电机的转速，和密封圈的密封效果。 油扩散泵：机械泵的极限真空只有10-2帕，当达到10-1帕的
7、时候，实际抽速只有理论的1/10，如果要获得高真空的话，必须采用油扩散泵。 由于油扩散泵是最早用来获得高真空的泵，其由于造价便宜，维护方便，使用广泛，所以本文将重点讨论。 油扩散泵的应用压强范围是10-1帕-10-7帕，它是利用气体的扩散现象来排气的，它具有结构简单，操作方便，抽速大（最高可以达到10+5升/秒）等特点。油扩散泵主要由泵壳、喷嘴、导流管和加热器组成，里面主要添加扩散泵油（日本的型号是D-704#），根据喷嘴的多少可以分为单级泵和多级泵。 扩散泵底部内储存有扩散泵油，上部为进气口，右侧旁下部为出气口，在工作时出气口由机械泵提供前置压强，机械泵充当前置泵。 当扩散泵的油被电炉加热时
8、，产生的油蒸汽提供前置压强，机械泵充当前置泵。当扩散泵油被电炉加热时，产生的油蒸汽沿着导流管经伞形喷嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械泵提供的1-10-1帕的真空，故油蒸汽可喷出一段距离，构成一个向出气口方向运动的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁，凝结为液体，流回蒸发器，即靠油的蒸发喷射凝结，重复循环来实现抽气的。 由进气口进入泵内的气体分子，一旦落入蒸汽流中，便获得向下运动的动量，向下飞去，由于射流具有高的流速（约200米/秒），高的蒸汽密度，且扩散泵油具有高的分子量（300-500）故能有效的带走气体分子，因此在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，且在射流界面的两边，被抽气体有很大的浓度差
9、，正是因为这个浓度差被抽气体能不断的越过界面，扩散进入射流中，被带往出口处，在出口处再由机械泵抽走。 扩散泵的油蒸汽压是决定泵的极限真空的重要因素，因此尽量选用饱和蒸汽压低的泵油，其化学特性要好。 扩散泵不能单独用来抽气，一般要求泵的最大出口压强为40帕。扩散泵的抽速决定于第一级喷嘴与泵体进气口口径间环形面积的大小，抽速不是一恒定的值，而是随着进气口的压强而变化的，当压强在10-210-3帕的时候，扩散泵的抽气速度是最快的，当压强小于5*10-4帕之后，扩散泵的抽气速度最小，几乎没有抽气能力（此时，进气口的压强较高，由于空气的密度较大，使蒸汽流形成不了高速射流以阻挡空气的反扩散，所以抽速下降）
10、。 扩散泵在安装前要清洗，之后才可以装入扩散油，油在加热前，必须要先对泵抽真空，停机前要先将扩散泵油冷却到6070摄氏度，才可以关闭前级抽气，最后关冷却水。 由于油扩散泵是无法杜绝有返油的几率，那么没有办法保证精密产品的100纯净，特别是半导体行业，所以就有“高真空冷凝泵低真空机械泵”所组成的无油真空系统，冷凝泵组成的排气系统不仅排气效率极高，而且有效保证真空腔的清洁，保证产品的质量（避免产品被污染、增强膜层与基板之间的附着力），但是其维护成本非常的高，造价昂贵，所以普及率没有油扩散泵广泛。 本人在工作过程中，有幸使用到采用冷凝泵组成的排气系统，故在此解释。 低温冷凝泵：它是利用低温表面来凝聚
11、气体分子以实现抽气的一种泵，是目前获得极限真空最高，抽速最大的抽气泵。 冷凝泵的工作原理：主要是低温表面对气体的冷凝作用、冷捕作用及物理低温吸附作用。 低温冷凝：根据各种气体的特性，采用液氦或者制冷循环氦气来冷却。 冷捕集：就是不可凝气体被可凝气体捕集的现象，通常二氧化碳、水蒸气、氮气、压气等气体首先形成霜，于低温表面形成吸附层，进而达到吸附其它气体的目的，低温泵抽除混合气体的效果比抽除单一效果好就是这个原因。 低温吸附：指低温表面上的吸附剂吸附气体的作用，由于吸附剂与气体分子之间的相互作用很强，故可达到气相压强比冷凝表面温度下它的饱和蒸汽压还低的水平。吸附剂通常是活性炭。 冷凝泵的抽气速率及
12、影响 冷凝泵的抽气速率与冷凝表面的面积大小有关系，经数据显示，单位冷凝表面积下的抽气速率为11.6升/秒.平方厘米，冷凝泵可以抽到10-8帕；此外粘有活性炭的吸附表面的几何形状及位置、活性炭的颗粒结构、粘结材料及粘接工艺，对抽速也有很大的影响。其次关键在于制冷机的制冷量要足够大。 真空计：真空计是真空镀膜机器上的重要组成部分，它是检测镀膜机真空度的重要手段。真空计根据其工作原理可以分为绝对真空计和相对真空计，绝对真空计可以直接测量压强的高低，相对真空计只能间接测量真空度。 本论文重点介绍镀膜机器上面常用到的以下几个真空计： 电阻真空计（又叫皮喇尼真空计）： 它主要由电热丝、外壳和支架构成，主要
13、是根据在低压下，气体的热传导系数与压强成正比的方式工作的。上面开口处与被测真空系统相连接，热丝采用电阻温度系数大的金属丝做成，两支支架引线与测量线路连接。当压强降低的时候，由于气体热传导散失的热量减小，因此当热丝加热电流稳定时候，则热丝温度就上升，热丝的电阻就增大，用测量热丝电阻值的大小来间接测量压强，有以下关系： 略 这就是电阻真空计的工作原理，此真空计的测量范围是：100-10-1帕之间，目前采用的型号是WP-02 磁控放电真空计： 工作原理：在放电开始时，由于空间游离电子向阳极运动时，在正交电磁场作用下，电子的轨迹不是直线而是螺旋线前进，又因为阳极是框形，故电子不一定第一次就碰上阳极，而
14、是穿过阳极，然后受到对面阴极的拒斥，又复返回。这样反复多次才可能打上阳极。由于电子路程大大加长，故碰撞及电离的分子数增加，使得在较低压强（10-4帕以下）仍维持放电（也称潘宁放电）。目前比较多的型号有PKR251、GI-PARY 放电管真空计：在玻璃管中封入两个金属电极，在其上加上数千伏的直流高电压，在一定的压强范围内（1*10-32*10托）内就能引起自持放电，通过放电颜色来判定其真空度 目前为止此种真空计已经很少使用，因为其误差大，容易损坏，而且寿命不长。 三、蒸发系统 蒸发系统主要指成膜装置部分，镀膜机器的成膜装置很多，有电阻加热、电子枪蒸发、磁控溅射、射频溅射、离子镀等多种方式，鄙人就
15、电阻加热和电子枪蒸发两种方式作介绍，因为此两种方式我应用的比较多。 电阻蒸发根据其结构和工作原理是目前为止应用最多，最广泛的蒸发方式，也是应用时间最长的蒸发方式。它的工作方式是，将钨片做成船状，然后安装在两个电极中间，在钨舟中央加上药材，再缓缓给电极通电，电流通过钨舟，钨舟通电发热，这些低电压，大电流使高熔点的钨舟产生热量，再热传导给镀膜材料，当钨舟的热量高于镀膜材料熔点的时候，材料就升华或者蒸发了，此方法由于操作方便，结构简单，成本低廉，故被很多设备应用，但是其蒸发出来的薄膜由于致密性不佳，加上很多材料无法采用这种方式蒸镀，所以其有一定局限性。钨舟蒸发镀膜材料的时候，材料的熔点必须小于钨舟的熔点，否则就没有办法进行。 电子枪蒸发是到目前为止应用最多的一种蒸发方式，它可以蒸发任何一种镀膜材料，它的工作方式是：将镀膜材料放在坩埚里面，将蒸发源制作成灯丝形状，采用一专门的控制柜，对灯丝加一强电流，高电压，由于灯丝的材料是钨，所以它会发热，到最后会发射电子，再采用一定的磁场将其聚集成一定形状，并牵引到坩埚上，这样
