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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
2、扩散泵抽真空腔的时候，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
3、没有好的效果，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
4、面又起了密封和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=2 nV s=2 nfsLfs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
5、还与电机的转速及皮带的松紧度有关系，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.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
6、泵来完成，因此，它必须配以机械泵作为前 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
7、10-1帕的时候，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
8、油被电炉加热时，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，
9、被抽气体有很大的 浓度差，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
10、阻挡空气的反扩散，所以抽速下降）。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
11、。低温冷凝泵：它是利用低温表面来凝聚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
12、剂通常是活性炭。冷凝泵的抽气速率及影响 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
13、主要由电热丝、外壳和支架构成，主要是根据在低压下，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
14、形，故电子不一定第一次就碰上阳极，而是穿过阳极，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、
15、射 频溅射、离子镀等多种方式，鄙人就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
16、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，这样就形成了一股电子束，由于电子束温度非常高，可以熔化任何镀膜药材，当镀膜 药材被电子束熔化后（有些材料是直接升华），药材的分子（原子或者离子）在真空中成直线运动，然 后遇到基板，就凝结下来，经过这种方式生长，形成薄膜！最常用的有将电子束的偏转角制作成270度，、 或者运行轨迹为e型的e行电子枪或者电子束偏转角180度，运行轨迹为c型的c型电子
