磁控濺射鍍膜設備升級換代的新思路

1、磁控濺射鍍膜設備升級換代的新思路、新設備和新工藝再談本底真空與放氣率儲繼國 龔建華 目前，傳統(tǒng)產業(yè)的升級換代已經成為國家的戰(zhàn)略決策，各級政府已出臺，或者即將出臺各種資助政策。在此大環(huán)境下，本網站將陸續(xù)推出一系列真空應用設備升級換代的方案供用戶參考。本文著重探討磁控濺射和陰極電弧鍍膜設備升級換代的新路子和新對策。對真空鍍膜設備而言，本底真空和放氣率是關乎品質的兩個最重要的概念。本底真空比較直觀，容易測量，加上歷史的原因，用戶已經習慣于將它與真空質量等同了。其實，本底真空反映的是表象，真空室的放氣率才是真空質量的本質。在很多場合，本底真空會誤導用戶，導致抽氣工藝使用不當，降低產品質量等一系列問題。

2、眾所周知，真空鍍膜大體可分為高真空鍍膜（例如蒸發(fā)鍍膜）和在工作氣體環(huán)境中的中真空鍍膜（例如磁控濺射和陰極電弧鍍膜）二大類。前者，鍍膜環(huán)境與本底真空基本一致，采用本底壓強作真空質量的表征無問題，但這類鍍膜設備通常容積大（約幾個米3），主泵普遍采用抽速幾萬L/s的油擴散泵，目前存在的主要問題是能耗高和油蒸汽污染嚴重兩大難題，相應的對策將在另文中討論。后者，鍍膜壓強比本底壓強高出幾十至幾百倍，鍍膜的真空環(huán)境與本底真空差異很大，在選用真空泵和抽氣工藝時，往往會產生差錯和誤解，本文將作討論的重點。討論之前，先明確如下幾個基本問題：1. 真空室的壓強P與真空室的放氣量Q成正比，與真空泵所在工作條件下的實際

3、抽速S成反比，即P= Q/ S 12. 鍍膜階段的活性氣體分壓強（主要是水蒸汽）是影響鍍膜質量的關鍵，是鍍膜設備真空質量的實質性指標。3. 對于未經仔細烘烤、經常暴露大氣的真空室，本底壓強中活性氣體占90%以上。實測結果表明，本底壓強中，抽氣半小時，水蒸汽約占90%，抽氣1小時，水蒸汽約95%，因此，鍍膜室（包括工件）放出的氣體可以認為全部是活性氣體。4. 精抽的本質是降低鍍膜室的放氣率，精抽本底的放氣率將帶入鍍膜階段。由此可以得到一個十分“費解”的推論：采用有效抽速3,000L/s的真空泵，本低抽至8×10-3 Pa，其精抽質量與采用有效抽速1,500L/s的真空泵，本底抽至1.6

4、×10-2 Pa時相同，即精抽階段采用抽速較小的真空泵，允許較差的本底真空！實測結果表明：上述兩種泵，將鍍膜室抽至濺射鍍膜所需的相同放氣率，所需時間大體相同，后者僅增加了5分鐘。后文所述的改造方案中，粗抽階段的時間可以節(jié)省5分鐘，即鍍膜周期不變。5. 由式1可知，鍍膜階段活性氣體的分壓強與本底的放氣率成正比，與鍍膜階段的抽速成反比。6. 對于鍍膜階段抽速與精抽階段相同的場合（例如蒸發(fā)鍍膜），由式1可知，鍍膜階段的活性氣體分壓與精抽本底壓強相同，因此，本底壓強可以用作表征鍍膜設備真空質量的指標。7. 對于鍍膜階段抽速與精抽階段不同的場合，鍍膜階段活性氣體的分壓強與精抽本底壓強不相同，即

5、真空質量不能用本底真空來表征。8. 在磁控鍍膜階段（通常為0.5Pa），擴散泵（必須加節(jié)流閥）的抽速僅為標稱值的1/61/5，分子泵的抽速為標稱值的5070%，因此，鍍膜階段活性氣體分壓強分別為本底壓強的56倍和1.52倍。分子泵在高壓強下運行，還易發(fā)生打片危險。9. 推論：采用鍍膜階段抽速大的真空泵，精抽階段的本底壓強可以高一些，或者精抽階段的抽速可以低一些。提高。由此可見，本底壓強作為真空質量的指標是一大誤解。究其原因，可能與蒸發(fā)鍍膜在前，磁控濺射在后，以及人們的習慣性思維有關。8. 降低真空室放氣量的有效措施不是增加泵的抽速，而是延長抽氣時間。推論：精抽階段可以采用抽速較小的真空泵。上述

6、結論不大容易理解。事實上，規(guī)范的真空設計中，真空泵抽速配置步驟如下：設定抽氣（即存放真空）時間（即抽氣時間）。設定本底壓強 了解真空室和工件的材料、表面積和表面狀況估算真空室的總放氣率估算真空泵所需的抽速該步驟中，僅給出了存放在真空中的時間（即抽氣時間），未提出存放環(huán)境的真空要求，已經默認了存放環(huán)境的真空度不是主要的影響因素。實測結果表明，在10-210-3 Pa壓強范圍，將精抽泵的抽速減小一半，在相同的抽氣時間內，真空室的放氣率降低的幅度基本相同（誤差不超過10%）。下面以鈦金鍍膜為例，進一步介紹鍍膜設備的升級換代的新思路、鈦金鍍膜是建立在低壓氣體放電的基礎上的鍍膜方式，過高或過低的壓強均不

7、利于放電，再加上往往是一個反應沉積的過程，必須導入反應氣體，因此最佳的沉積壓強應在0.2 Pa-0.6 Pa之間，對于陰極電弧離子鍍甚至要求1Pa的工作壓強，只是傳統(tǒng)的真空獲得設備無法有效地滿足這一條件，為此對工藝的進一步探索留下了懸念。但對絕大多數的應用來講，有一點是肯定的，在鍍膜過程中，活性氣體的分壓強（主要是水蒸汽）越低越好，鈦金鍍膜更是如此。所以真空重要的往往不在數量（絕對壓強），而是在于質量（對活性氣體分壓的抑制）。一個真空系統(tǒng)，當壓強達到約0.5 Pa時，其中90%的是水蒸汽，而進入Pa，水蒸汽含量則可能達到95%。所以真空系統(tǒng)的本底壓強也就是活性氣體的分壓。水蒸汽的來源是由于真空

8、容器內壁和工件吸附氣體的解吸過程，即所謂的放氣。 沉積膜層化學穩(wěn)定性的檢測方法中，通常將被鍍工件浸泡在盛有酸堿溶液的容器中，而對膜層的浸蝕作用，并不是容器中酸堿的絕對數量，而是酸堿的濃度和浸泡的時間。同樣在膜層沉積過程，活性氣體對膜層的不利影響也不是真空室內的活性氣體總量，而是活性氣體的分壓強。從以上的討論可知，真空室的本底壓強近似等于活性氣體的分壓，若鍍膜過程就在該壓強范圍附近進行（即真空機組對系統(tǒng)的有效抽速不變），本底壓強與活性氣體分壓強是一致的，因此，用本底壓強作為鍍膜設備真空質量的指標是合理的。如果不滿足上述條件，則更重要的應該是放氣量，而本底真空僅是一個標致性的參量。傳統(tǒng)的高真空機組

9、，不論是擴散泵機組還是渦輪分子泵機組，必須在分子流狀態(tài)（泵口壓強10-1Pa）下才能穩(wěn)定工作，當它們用于磁控濺射，或陰極電?。ǖ湫凸ぷ鲏簭娫?.2-0.6 Pa）時，抽速將迅速降低，其中擴散泵的返油率還會大幅度上升。為了讓泵口壓強進入穩(wěn)定工作的范圍，傳統(tǒng)的方法采用節(jié)流措施，這樣必然降低機組對系統(tǒng)的有效抽速，對擴散泵而言，抽速要降至標稱抽速的10%20%。渦輪分子泵也要降低約50%。在放氣量不變的情況下，擴散泵系統(tǒng)的活性氣體分壓強就會上升至510倍，渦輪分子泵系統(tǒng)也要上升至2倍。這一現象是客觀存在的，只是普通鍍膜設備不配置分壓強計，無法覺出而已。在這種應用場合，本底真空就無法表征鍍膜設備真空質量

10、的優(yōu)劣了。任何事物都是由量變到質變?；钚詺怏w作為影響膜層質量的有害成份，視其影響的程度應存在一臨界的壓強，超過此壓強其影響不可忽略，而不及此壓強其影響可以忽略。這樣一來，對配置傳統(tǒng)的高真空機組的設備，如把臨界壓強作為系統(tǒng)本底壓強或本底壓強，顯然是錯誤的，因為在鍍膜階段，活性分壓會明顯上升，甚至遠遠超過臨界壓強。這不僅在鈦金鍍膜，其它凡是有預除氣過程的應用領域都如此。摩爾真空技術有限公司研發(fā)并推向市場的基于全拖動原理的分子增壓泵，比傳統(tǒng)高真空泵的工作壓強提高了兩個數量級，在1Pa左右可以達到滿抽速，因此在放氣量相同的情況下，可以更顯著地抑制活性氣體的分壓。加上分子增壓泵超強的中真空抽氣能力，鍍膜

11、設備從此不再需羅茨泵，僅用分子增壓泵與前級泵就可構成高效的高真空機組，用于鈦金鍍膜顯示出的優(yōu)越性是無可爭議的。若采用分子增壓泵取代擴散泵機組，除了簡化真空系統(tǒng)，大幅度降低能耗（80%以上），消除油蒸汽污染這些顯然的優(yōu)點外，在抑制活性氣體方面更有獨到之處。由于標稱抽速相同的分子增壓泵，在鍍膜階段的有效抽速為擴散泵的56倍，若保持鍍膜階段的活性氣體分壓強不變，則允許的精抽本底放氣量可以提高56倍，真有點難以置信！實際工作中，我們對1000×1200鈦金鍍膜設備采用了一種折中的改造方式，改造后與擴散泵鍍膜設備的比較如下：真空泵型號數量標稱抽速精抽抽速精抽壓強精抽放氣率鍍膜抽速擴散泵設備旋片

12、泵2X-701羅茨泵ZJ-3001擴散泵KT-40016,5002,5008×10-32.01,000合計分子增壓泵設備1旋片泵2X-701旋片泵2X-151分子增壓泵MB200D33,0002,0002×10-24.03,000合計分子增壓泵設備2旋片泵2X-701旋片泵2X-151分子增壓泵MB200D22,0001,5002×10-23.02,000合計改造后與分子泵鍍膜設備的比較如下：真空泵型號數量標稱抽速精抽抽速精抽壓強精抽放氣率鍍膜抽速分子泵設備旋片泵2X-701羅茨泵ZJ-3001擴散泵KT-40016,5002,5008×10-32.01

13、,000合計分子增壓泵設備旋片泵2X-701羅茨泵ZJ-3001分子泵MB200D22,0001,5002×10-23.02,000合計恒定抽速的分子增壓泵，則可以大大縮短精抽的時間而顯著提高效率。也就是分子增壓泵的精抽壓強或放氣量可以大大提高。因為放氣量是隨時間線性減少的。若取代渦輪分子泵機組，除了簡化機組，消除了轉子打片的風險外，還能實現用一臺1000升/秒的分子增壓泵取代一臺1500升/秒的渦輪分子泵，并具有更佳的效果。這個看似不可接受的事實其實道理亦很簡單，就在于兩種泵性能的差異。相關的論述曾強調，放氣量主要決定于烘烤的溫度和精抽的時間，所以兩種泵在上述條件相同的情況下，可以

14、達到相同的放氣量，由于分子增壓泵抽速低，故平衡壓強（本底壓強）要高50%，但進入放電沉積階段，分子增壓泵抽速不變，而渦輪分子泵抽速則減半，所以此時的活性分壓反而高于分子增壓泵。本文所闡述的是放氣量、抽速、平衡壓強的辯證關系。道理很簡單，但必須摒棄傳統(tǒng)的理念，否則，則會出現這樣的笑話：在濺射鍍膜階段，仍用節(jié)流的方法強行抑制分子增壓泵強勁的抽速，讓活性氣體分壓大幅反彈，而目的僅僅是為了節(jié)省一些氬氣。節(jié)流技術有些事情，本來是權宜之計，是沒有辦法的辦法，然而時間久了，就忘了為什么要這樣做，反到成了非做不可的硬道理，這就偏離了真理。濺射沉積階段不是不需要的抽速應該越大越好，除了壓低活性分壓外，最新的一些實驗結果表明，在沉積階段加大氬氣流量有益于提高沉積速率。最后，通過一個貼近生活的例子，可能有利于更形象地理解文中反復述及的道理。常識告訴我們，飲食要講衛(wèi)生，而蒼蠅容易傳染疾病，假定有A、B兩個餐廳，A餐廳工作人員數量多，在沒開飯的時間，所有的人員都努力驅趕蒼蠅，而最終將餐廳內蒼蠅