镀膜设备真空系统主泵的配置

2010-03-25 陈素君北京北仪创新真空技术有限责任公司

　　真空系统是真空镀膜设备的主要组成部分，其主泵的选择对真空性能影响很大，真空镀膜设备的发展要求真空性能清洁无油，动态抽速大.传统的以油扩散泵为主泵的设备不能满足要求,本文叙述了油扩散泵、分子泵及低温泵的特点及北京北仪创新真空技术有限责任公司开发以分子泵及低温泵为真空系统主泵的镀膜设备情况。

　　真空系统是真空镀膜设备不可缺少的重要组成部分。常用的高真空系统结构形式, 一般由主泵及前级泵串联, 加上阀门、管道及真空测量仪表组成. 按所选的主泵不同分为有油真空系统和无油真空系统。

1、有油真空系统

　　有油高真空系统一般以油扩散泵为主泵。前级泵为机械泵或机械泵＋罗茨泵。

　　众所周知, 油扩散泵的工作压力范围为(10^{- 1}～10^{- 6}) Pa。抽气速率大,可从每秒几升到每秒十几万升。在(10^{- 2}～10^{- 4}) Pa 范围具有稳定的抽速,结构简单,无机械传动,无摩擦,工作可靠,无振动,无噪音。寿命长,维护简单,投资费用低。主要缺点是油蒸汽易返流到真空室中, 形成污染源。采用挡油帽和障板及冷阱等措施可以降低返油率,但不能根除。仍会有一部分油蒸气返流,而且也降低了泵的抽气速率。此外油扩散泵使用时能耗大,运行费用高。启动慢,停泵时间长,特别是大规格泵。

2、无油真空系统

　　当前以分子泵和低温泵作主泵的无油真空系统在真空镀膜设备中广泛使用。

2.1、以分子泵为主泵的真空系统的特点

　　分子泵是靠高速运动的刚体表面来携带气体分子实现抽气的真空泵. 能连续大量抽气。可以获得清洁无油的高真空和超高真空。启动、停泵时间短,但抽重气体比抽轻气体快,对水蒸汽抽速慢,涡轮分子泵在分子流领域抽气效率高,但当气体大量流过泵时,抽速就下降。在1 Pa 以上压力范围工作抽速降低很多, 这对使用不利。将涡轮分子泵的高压强侧配置了螺旋槽式牵引分子泵, 使两种泵的抽气单元串联组成一整体。形成的宽域型复合分子泵, 这种泵在压力低于10 Pa以下抽速保持不变。高压强范围有较大抽速。弥补了涡轮分子泵的不足。

2.2、以低温泵为主泵的真空系统的特点

　　低温泵是气体捕集型泵.是利用低温表面冷凝、吸附和捕集气体来获得和保持真空的设备。正常工作时不需前级泵.起始压力高,工作压力范围宽(1～10^{- 8} ）Pa。可以抽除各种气体。但不能连续抽气, 每隔一定时间需进行再生。与同口径其他泵比较, 抽速大, 特别是对水蒸汽有很高的抽速, 相当于同口径分子泵的四倍。所以使被抽容器内水蒸汽分压低, 从而获得清洁的无碳氢化合物的高真空和超高真空。泵内无运动部件, 无振动,无噪音,可以任意位置安装。占地面积小,运行费用比油扩散泵低。操作简单。

3、北京北仪创新真空技术有限责任公司(以下简称北仪创新公司)生产真空镀膜设备情况

　　真空镀膜设备是北仪创新公司主导产品之一, 自1961 年开发第一台真空镀膜设备以来,累计已设计生产了不同品种、规格型号的高真空镀膜设备六千台以上。应用于各个领域. 其中大多数设备的真空系统是配备着油扩散泵作主泵的。

　　二十世纪八十年代以来科学技术的迅猛发展,对真空镀膜设备的清洁度要求日益提高,设备所镀膜层的质量与所用材料、镀膜工艺及真空系统内所含有的水蒸汽及油污染的程度有很大关系. 传统的以油扩散泵为主泵的真空系统由于有油蒸汽的污染,已不能满足使用要求,国外工业发达国家纷纷推出以分子泵和低温泵作主泵的半无油和全无油真空系统的全自动镀膜设备. 新型的无油泵如分子泵和低温泵, 已成为无油系统的主流。不少单位花费大量外汇购买国外先进的以分子泵和低温泵作主泵的无油系统镀膜设备.这不但价格昂贵, 而且售后服务及零备件供应很不方便, 作为真空镀膜设备专业制造厂，研发生产真空性能良好的设备,义不容辞。

4、北仪创新公司发展了以分子泵为主泵的真空镀膜设备情况

　　针对国产分子泵F- 100、FF- 160、FF- 200、FF- 250 及F- 400 五种规格涡轮分子泵和复合分子泵及电源已批量生产, 性能稳定可靠。我们北仪创新公司也是分子泵生产单位之一, 因此很快就开发和生产了以分子泵为主泵的真空镀膜设备。如ZZSX 系列电子束镀膜机， JPGF 系列磁控溅射设备，LDHF 系列多弧离子镀及HFD 系列化学汽相沉积设备。同时也接受本公司常规产品以分子泵取代油扩散泵的改造工作, 如DM系列蒸发镀膜机。

　　由实践,在配置不变情况下,仅以同规格的分子泵取代油扩散泵为主泵的真空镀膜设备, 到达的极限压力有所改善,而从大气抽至10^{- 3} Pa 的时间往往比油扩散泵系统要长些, 但当真空室压力抽至<10- 4 Pa 以后, 则分子泵系统抽速比油扩散泵要快,而真空室内的洁净度则明显改善。

5、北仪创新公司发展以低温泵为主泵的真空镀膜设备过程

　　低温泵是将气体分子冷凝或吸附在极低温度表面再排气的真空泵.靠氦压缩机提供冷源,当泵吸气已到达排气容量时, 或二级冷头的温度在20 K 以上, 或80 K 屏蔽筒、80 K 挡板的温度在130 K 以上及泵内压力在1.3×10^{- 4} Pa 以上时就要再生.泵的冷面温度受泵的热负载所限.所以减少热负载十分重要。

　　二十世纪末,我们就打算开发以低温泵为主泵的真空镀膜设备, 当时对低温泵尚无感性认识。不掌握其使用性能和故障率等. 又如真空蒸发镀膜设备使用中，经常是在一定温度下(如300℃)镀膜,当采用电子束蒸发,电子束轰击蒸发材料时,动能转为热能，对低温泵来说,这二者是真空室主要热负载, 这将对低温泵使用性能有多大影响?在设计中该如何考虑，以及泵的性能及质量可靠性等问题都是开发镀膜设备前必须了解的内容,于是我们开展了调研和实验工作。

　　2003 年8 月,我们有机会对日本真空技术株式会社出产的一台CRYO- U20H 型低温泵进行了试用。该泵安装在本公司产成品ZZSX- 1200 型箱式前开门电子束镀膜设备上, 取代原设备的主泵KA- 800 型油扩散泵及复合冷阱(水与氟里昂复合阱)进行了镀膜室内常温、高温(350℃)抽气性能和电子束蒸发工作时室内保持压力的试验测试。泵的安装和操作是在寺岛充级先生指导下进行的。累计试用了近140 h。在试用中,这台低温泵及其附件没有出现过任何故障。工作情况表明,与油扩散泵相比,低温泵作主泵有如下特点:

　　（1）同口径的低温泵抽气速率比油扩散泵大，特别是抽水蒸汽能力,远高于油扩散泵。这对于相对湿度较高的使用环境提高工作效率, 效果显著。

　　（2）设备极限压力优于油扩散泵. 测试中用CRYO- U20H 型低温泵作主泵, 从大气开始抽，用了453 min (7小时33 分) 达到9×10^{- 5} Pa。而用KA- 800 型油扩散泵加复合冷阱抽, 用了255 min(4 小时15 分)达到1.4×10^{- 4} Pa，继续抽,效果不明显。

　　（3）抽气时间: 这是指由大气抽至一定压力的时间. 测试了镀膜室为室温和350℃时高真空段性能的时间。测试数据如表1 和表2。

　　注:ZZSX - 1200 真空镀膜设备镀膜室容积及室内主要配置:

　　① 内腔尺寸(内径×高度)/mm:φ1250×1300

　　② 室内主要配置

　　QE 型e 型10 kW 270°磁偏转电子枪二套。电阻加热蒸发电极一对,离子轰击电极一套,蒸发源挡板三套,旋转拱形工件架一套,工件架烘烤用管状加热器及测温传感器一套, 光学膜厚监控仪光路一套,石英晶体探头一套,室壁可拆卸屏蔽板一套。

　　测试时间:2003- 08- 04。室温32℃相对湿度50%。

表1 低温泵与油扩散泵抽气时间比较（室温）　　表2 低温泵与油扩散泵抽气时间比较（350℃）

低温泵与油扩散泵抽气时间比较