分子增壓泵在真空技術(shù)中的應(yīng)用

1、分子增壓泵在真空技術(shù)中的應(yīng)用龔建華 儲(chǔ)繼國分子增壓泵是一種新型的高真空泵，它最大的優(yōu)點(diǎn)是清潔、節(jié)能，中真空具有超強(qiáng)的抽氣能力。首先了解一下該泵為什么會(huì)具有以上的優(yōu)點(diǎn)。清潔真空。各種類型的真空泵由于工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同所獲得的真空質(zhì)量是不一樣的，可以分為無油真空，清潔真空和普通真空。無油真空即無任何油蒸汽污染的真空，是真空質(zhì)量的最高境界，低溫泵、離子泵以及各類干式泵可以實(shí)現(xiàn)無油真空。清潔真空不是絕對無油，而是真空中的油蒸汽分壓可以降到極低的水平，從而使真空質(zhì)量得到很大的提升。渦輪分子泵以及某些泵配合使用低溫冷阱，可以實(shí)現(xiàn)清潔真空。而普通真空則含有較高的油蒸汽分壓。油蒸汽作為高分子的碳水化合物，是

2、一種主要的污染源。各種傳統(tǒng)機(jī)械類型的真空泵以及以高速定向油蒸汽流抽氣的真空泵，在獲取真空的同時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生油蒸汽對真空的污染。而不同的真空應(yīng)用對真空的質(zhì)量是有不同的要求的。各種類型的真空泵在抽除氣體的同時(shí)，往往伴隨著發(fā)生一些其他的過程，油蒸汽的返流即是一種，所謂返流就是油蒸汽分子沿著與抽氣方向相反的方向逆向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其后果造成了真空的油污染。低溫泵、離子泵、干式泵等因無油污染源，所以也無油蒸汽的返流，故能獲得無油真空。各類機(jī)械原理的傳統(tǒng)真空泵，在抽氣通道中存在用于潤滑、密封等作用的泵油，所以會(huì)由于油蒸汽的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而造成顯著的污染。高速定向的油蒸汽射流具有明顯的方向性，但這僅是氣體動(dòng)力學(xué)決

3、定的宏觀運(yùn)動(dòng)，而作為組成射流的一個(gè)個(gè)油蒸汽分子還存在一種本質(zhì)的無規(guī)的熱運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)的疊加可使油分子折向真空一方而造成返流，當(dāng)然還有其他原因。渦輪分子泵是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械類型的真空泵，其高速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承需用油潤滑，故存在油污染源，但該位置處于整個(gè)抽氣通道的前方，低真空一側(cè)，而其與泵的進(jìn)氣口即高真空一側(cè)之間，由于高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片組合存在巨大的壓縮比，這一壓縮比是隨氣體分子的質(zhì)量而成指數(shù)增加的。因?yàn)橛头肿邮歉叻肿?，比一般的氣體分子具有更大的分子量，故而渦輪分子泵能對它產(chǎn)生比其他分子更大的壓縮比，這一態(tài)勢使得油分子返流明顯地減弱，表現(xiàn)在被抽空間中的油蒸汽分壓大大降低，從而實(shí)現(xiàn)所謂的清潔真空，當(dāng)然這

4、是在泵的工作狀態(tài)下。分子增壓泵雖然工作機(jī)理與渦輪分子泵不一樣，但同樣具有極高的壓縮比，其大小與分子的質(zhì)量亦成指數(shù)關(guān)系，所以同樣可以實(shí)現(xiàn)清潔真空。從某種意義上講，分子增壓泵比渦輪分子泵具有更高的壓縮比。通過質(zhì)譜分析對比，渦輪分子泵譜圖上可以發(fā)現(xiàn)44質(zhì)量數(shù)的CO 2峰，而分子增壓泵譜圖 28（N 2峰）以后就不存在可以觀察到的譜峰。圖1分子/增壓泵的殘氣質(zhì)譜圖（中科院近代物理研究所提供）分子增壓泵的抽氣機(jī)理是基于全拖動(dòng)的原理。氣體分子在與其他分子或物體碰撞時(shí)，可以發(fā)生動(dòng)量交換，若氣體分子能始終獲得定向動(dòng)量，便能實(shí)現(xiàn)抽氣作用。當(dāng)氣體分子與高速定向運(yùn)動(dòng)的蒸汽流碰撞時(shí)，氣體分子是與單個(gè)油蒸汽分子之間發(fā)生

5、動(dòng)量交換。而氣體分子與高速運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)生碰撞時(shí)，則是氣體分子與剛性表面之間發(fā)生動(dòng)量交換。分子增壓泵就是屬于后者。該泵的抽氣單元為圓盤上分割出的從邊緣指向中心的螺旋通道，吸氣級具有兩個(gè)平行的拖動(dòng)面，而壓縮級僅有一個(gè)拖動(dòng)面，且壓縮級是由多個(gè)拖動(dòng)面串接而成，氣體沿著螺旋通道依次由中心流向外緣，再由外緣流向中心，多級迂回后最終流向排氣口。高速旋轉(zhuǎn)的圓盤平面?zhèn)鬟f給碰撞其上的氣體分子的動(dòng)量應(yīng)沿著切線方向，由于分割出的螺旋通道與半徑方向有一夾角，故氣體分子所獲得的切向動(dòng)量沿著螺旋通道方向有一分量，該分量迫使氣體分子沿著通道從圓盤的外緣向中心運(yùn)動(dòng)（壓縮），同樣改變螺旋方向，也能迫使氣體分子從中心向外緣運(yùn)動(dòng)（壓

6、縮）。正是多級的壓縮通道串接起來，使得分子增壓泵可以形成巨大的壓縮比（對N 2而言可達(dá)108）。這樣巨大的壓縮比可以保證處于泵的前級部分潤滑裝置產(chǎn)生的油蒸汽難于返流至高真空一側(cè)，這就是分子增壓泵能夠獲得清潔真空的關(guān)鍵所在。作為完整的真空機(jī)組，分子增壓泵只需一級前級低真空泵即可組成高真空機(jī)組。對于機(jī)組，分子增壓泵不僅能抑制自身的返流，其壓縮比還能有效的抑制前級泵的返油，而對于羅茨泵機(jī)組便做不到這一點(diǎn)。由于羅茨泵壓縮比很低（約幾十），所以除自身的返油外，該機(jī)組系統(tǒng)的返油中還包含了前級泵的油蒸汽。除了以上所述，結(jié)合抽氣工藝，由分子增壓泵的抽氣特性可在諸多應(yīng)用場合實(shí)現(xiàn)清潔真空，在后面涉及的該泵的應(yīng)用中

7、會(huì)進(jìn)一步討論。節(jié)能。真空泵在工作過程中要產(chǎn)生能耗，這能耗主要來自兩方面的原因。對于機(jī)械類的泵來講，泵的組件在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗，在抽氣的過程中需要對氣體 壓縮做功。而對于靠蒸汽流工作的泵而言，除了蒸汽流在抽氣過程中壓縮氣體需要做功外，在油從液態(tài)形成蒸汽的過程中還需要消耗大量的熱能。工作在低真空的傳統(tǒng)機(jī)械類泵，由于摩擦阻力較大，壓縮氣體的壓力較高，故消耗的能量較大，不同種類、不同型號(hào)的泵能量消耗與其抽氣能力的當(dāng)量關(guān)系基本相同。而同種類型的真空泵由于制造工藝水平的差異，其能耗可能會(huì)有不同，但應(yīng)都在同一數(shù)量級內(nèi)。分子增壓泵雖然屬于機(jī)械類泵，但由于工作轉(zhuǎn)速極高，其運(yùn)動(dòng)部件的平衡精度也非常高，所以

8、工作時(shí)摩擦力極小，該泵從工作狀態(tài)下斷電，其自然停機(jī)過程需要2小時(shí)以上，足以說明這一點(diǎn)。分子增壓泵和油蒸汽射流泵抽氣原理雖然都是通過動(dòng)量傳遞，但從動(dòng)量傳遞效率而言，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，這可從兩方面來理解。其一，即使蒸汽射流和拖動(dòng)圓盤具有相同的宏觀速度，但前者是氣態(tài)，后者是固態(tài)，兩者密度相差甚大，蒸汽射流的濃度僅相當(dāng)幾十托的壓力。故運(yùn)動(dòng)的圓盤比運(yùn)動(dòng)的蒸汽具有大得多的動(dòng)量，并且氣體分子在與圓盤剛體相碰中獲得的動(dòng)量應(yīng)比氣體分子在與單個(gè)蒸汽分子碰撞中獲得的動(dòng)量要大得多。其二，蒸汽射流要獲得所需的動(dòng)量（或能量），是基于氣體動(dòng)力學(xué)的方法消耗大量熱能來實(shí)現(xiàn)的，而剛性的拖動(dòng)圓盤要獲得所需的轉(zhuǎn)速（即動(dòng)量），是通過機(jī)

9、械驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，由于泵的平衡精度高，只需少量的機(jī)械能便可。例如：抽速1000L/s的泵，對于油擴(kuò)散泵，所需功率約2000W ，而對于分子增壓泵還不到200W ，這是數(shù)量級的差別。從以上分析可以看出，分子增壓泵是一種極低能耗的真空泵，下面例舉的應(yīng)用實(shí)例中更能生動(dòng)地說明這一點(diǎn)。曾將抽速600L/s的分子增壓泵應(yīng)用于稀土永磁材料的熔煉爐上，原設(shè)備主泵是2300L/s的油增壓泵，使用分子增壓泵，抽氣時(shí)間從40分鐘縮短至18分鐘。特別是材料在預(yù)熔過程中大量的放氣，必須數(shù)次停止加熱，否則油增壓泵不能正常工作，而分子增壓泵排氣流量大，能及時(shí)抽除釋放的大量氣體，可持續(xù)加熱。從能耗上看，油增壓泵9KW ，分子增

10、壓泵卻不到0.2KW 。與渦輪分子泵相比，分子增壓泵的能耗也低于前者，由于渦輪分子泵也是低能耗泵，所以節(jié)能的意義不大。但作為高真空機(jī)組，渦輪分子泵一般需要3級機(jī)組，而分子增壓泵只需要兩級機(jī)組，因此還是有明顯的節(jié)能效果。這完全是因?yàn)榉肿釉鰤罕玫某闅馓匦运鶝Q定的。對于分子增壓泵的能耗低于渦輪分子泵可以從以下兩點(diǎn)受到啟發(fā)，一是渦輪分子泵轉(zhuǎn)動(dòng)方向和抽氣方向是相互垂直的，而分子增壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)方向和抽氣方向基本一致，因此能量的利用效率高。二是渦輪分子泵的葉輪的葉片是有一定角度的，就像風(fēng)扇一樣，所以旋轉(zhuǎn)起來會(huì)產(chǎn)生阻力，而分子增壓泵的拖動(dòng)圓盤是一平面，相比之下旋轉(zhuǎn)時(shí)幾乎不產(chǎn)生阻力。中真空的抽氣能力超強(qiáng)。所謂中真空

11、是指10帕至0.1帕的壓力范圍，而分子增壓泵的抽氣能力可以延伸到數(shù)百帕的低真空區(qū)域。中真空區(qū)域在真空應(yīng)用中是非常值得關(guān)注的一個(gè)區(qū)域，例如基于低氣壓放電的物理氣相沉積往往在0.1Pa 的范圍；而分子蒸餾、稀土永磁材料熔煉則在數(shù)帕的范圍。分子增壓泵的中真空抽氣能力主要是與作為高真空泵的油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵，以及作為中真空泵的羅茨真空泵和油增壓泵來比較。0.1Pa 的壓力對于油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵而言略高了一些，泵可以工作，但并不是很穩(wěn)定，而1Pa 的壓力下幾乎不能工作。較高的壓力會(huì)破壞油蒸汽的射流，射流一旦紊亂便失去抽氣能力。同樣這一壓力下，對于一般尺寸入口的渦輪分子泵來講還達(dá)不到完全的分子流狀態(tài)，

12、渦輪分子泵的抽氣作用是對氣體作相對運(yùn)動(dòng)的葉輪兩側(cè)傳輸幾率的差異產(chǎn)生的，而這一差異必須是以氣體處于分子流狀態(tài)為前提的，如偏離分子流，則抽氣能力要受到明顯的影響，所以0.1Pa 的壓力對于油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵不僅抽氣能力受到影響，抽氣的穩(wěn)定性也得不到保證，而工作壓力的穩(wěn)定往往對真空的應(yīng)用是至關(guān)重要的。還有就是在幾帕的范圍內(nèi)渦輪分子泵的工作是存在風(fēng)險(xiǎn)的。對于作為中真空泵的羅茨泵和油噴射泵而言，要實(shí)現(xiàn)這一壓力范圍內(nèi)的抽氣亦有一定的難度。羅茨泵在0.1Pa 壓力下實(shí)際抽速要比標(biāo)稱抽速下降很多，故抽氣能力大大受到影響。油噴射泵在數(shù)帕的范圍內(nèi)也是其油蒸汽射流不穩(wěn)定的壓力，一旦射流破壞便失去抽氣作用，而分子增

13、壓泵在中真空的壓力范圍的抽氣作用不存在以上例舉的各類真空泵的局限，顯示了獨(dú)特的能力，這一能力還需從分子增壓泵的抽氣特性來展示，從分子增壓泵的抽速曲線可以看出，在幾百帕的壓力時(shí)泵就具有了抽氣能力（以有效抽速達(dá)到前級泵抽速的兩倍起算），而后隨著壓力的降低抽速線性增大，約在1Pa 左右達(dá)到最大值，當(dāng)壓力再降低時(shí)抽速略有下降，隨后在高真空范圍內(nèi)保持一恒定值，極限真空在無烘烤的條件下可以達(dá)到好的10-5帕數(shù)量級，而烘烤后可以進(jìn)入10-6Pa 或更低。所以在0.1-1Pa 范圍內(nèi)分子增壓泵可以工作在額定抽速，在10Pa 時(shí)抽速也可達(dá)到額定抽速的6成。分子增壓泵在1Pa 左右抽速會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是與渦輪分

14、子泵抽速特性的一個(gè)顯著的區(qū)別。造成這一小的極值的原因是由于泵此時(shí)工作在過渡流狀態(tài)，而泵入口的流導(dǎo)比分子流狀態(tài)下的流導(dǎo)要大。除了抽速曲線顯示出分子增壓泵在中真空范圍具有強(qiáng)勁的抽速外，更需要強(qiáng)調(diào)的是分子增壓泵與前級泵組成的真空機(jī)組實(shí)際抽氣的動(dòng)態(tài)過程中所表現(xiàn)出的高效率。當(dāng)前級泵預(yù)抽達(dá)到100Pa 時(shí)，分子增壓泵開始切入抽氣，盡管此時(shí)的實(shí)際抽速較小，但隨著壓力的降低抽速逐漸增大，從100Pa 到達(dá)最大抽速的1Pa 的壓力這一動(dòng)態(tài)過程所歷經(jīng)的時(shí)間很短，類似一雪崩的過程，而這一過程歸結(jié)于分子增壓泵從進(jìn)入抽氣狀態(tài)到抽速達(dá)到最大值遵循的是所謂的恒流量工作模式，即這一階段的抽氣發(fā)展過程任一時(shí)刻氣體流量是相同的。

15、流量可用壓力和抽速的乘積來表示，即PS ，如流量恒定，則這階段泵的抽速將隨壓力的降低反比增大。為什么會(huì)恒流量抽氣，可以從物理上說明。粘滯流到分子流的過渡階段，氣體分子的密度較高，與分子態(tài)不同，此狀態(tài)下并非所有的分子都能與拖動(dòng)面碰撞，而是靠近拖動(dòng)面的分子才能與其碰撞并獲得定向動(dòng)量。其后在與相鄰近的分子的碰撞中再傳遞所獲得的定向動(dòng)量，這種分子之間的相互碰撞作用可以視為相互間的一種約束，這樣就可以把一定量的離散的氣體分子看做是一個(gè)質(zhì)元，其有一個(gè)質(zhì)心，從而可用質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的方法來處理氣體分子與拖動(dòng)面之間的相互作用。在討論氣體的粘滯性流動(dòng)時(shí)，就曾采用過這種經(jīng)典動(dòng)力學(xué)的方法。這樣運(yùn)動(dòng)的表面對氣體的拖動(dòng)作用就

16、變?yōu)榕c一個(gè)個(gè)質(zhì)量確定的質(zhì)點(diǎn)之間的作用，是通過質(zhì)心與拖動(dòng)面之間的碰撞來實(shí)現(xiàn)的。在拖動(dòng)的過程中由于氣體壓力在降低，質(zhì)元的體積在增大，但其質(zhì)心位置不變，質(zhì)元的質(zhì)量不變，所以這一階段（過渡流）的抽氣過程中，抽除的氣體質(zhì)量是恒定的。而等溫條件下，流量正比于質(zhì)量。這便是分子增壓泵所謂恒流量工作模式的原由。s p e e d / l. s -123I n l e t p r e s s u r e /P a圖二分子增壓泵、高壓強(qiáng)分子泵和羅茨泵的抽速與入口壓強(qiáng)的關(guān)系以上對分子增壓泵的主要特性做了簡單的討論，正是由于這些特性使得分子增壓泵適用于各種真空技術(shù)的應(yīng)用中，并展示出其優(yōu)越性。下面主要就分子增壓泵在物理氣

17、相沉積技術(shù)中的應(yīng)用作一些介紹。物理氣象沉積技術(shù)又稱真空鍍膜技術(shù)，是真空應(yīng)用于材料改性的重要內(nèi)容。真空鍍膜的形式豐富多樣，但主要可以分為蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜以及離子鍍膜。蒸發(fā)鍍膜由于沉積速率高，蒸發(fā)時(shí)間短，鍍膜周期亦短，所以一般配置的真空機(jī)組抽速強(qiáng)勁，能在數(shù)分鐘內(nèi)將真空室抽至高真空（10-2Pa ），由于鍍膜時(shí)間短，所以不考慮此時(shí)的放氣量，亦不考慮真空室內(nèi)的油污染，如此往往機(jī)組的抽速要達(dá)到上萬升/秒，主要采用大型的油擴(kuò)散泵。由于目前開發(fā)出并推向市場的分子增壓泵主要是200mm 口徑，抽速1000L/s，難于適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中蒸發(fā)鍍膜對大抽速的要求，所以此處暫不涉及在蒸發(fā)鍍膜中的應(yīng)用，而當(dāng)數(shù)千升/秒乃至

18、上萬升/秒的大口徑分子增壓泵開發(fā)出來后，必將在蒸發(fā)鍍膜領(lǐng)域顯示出超過傳統(tǒng)機(jī)組的優(yōu)異性能。濺射鍍膜和離子鍍膜廣泛用于裝飾涂層及刀具的硬質(zhì)涂層，沉積的厚度往往在微米量級，所以沉積時(shí)間也相對較長，因此沉積過程中抑制真空室內(nèi)殘余活性氣體（主要是水蒸氣）的影響也格外重要，尤其是在反應(yīng)沉積中。沉積環(huán)境中的活性氣體主要來自真空室內(nèi)的放氣，要降低活性氣體的分壓就要降低室內(nèi)的放氣量或內(nèi)表面的放氣率，由于降低放氣率是一個(gè)緩慢的過程，即使采用烘烤等強(qiáng)化措施亦是如此，這就決定了在濺射鍍膜和離子鍍膜技術(shù)中，合理的工藝必須經(jīng)過較長時(shí)間的抽氣過程（所謂精抽），目的是使真空室內(nèi)的放氣率降低到合理的程度，以至于不會(huì)對隨后的沉積

19、過程產(chǎn)生不能容許的影響。所以一般此類的鍍膜設(shè)備配置的真空機(jī)組的抽速?zèng)]有蒸發(fā)鍍膜設(shè)備那么強(qiáng)勁，以1000L/s的分子增壓泵為例，從1臺(tái)到2臺(tái)、3臺(tái)、4臺(tái)的并聯(lián)使用能夠滿足0.3m 3-1.5m 3真空室大小的鍍膜設(shè)備的抽氣要求，抽速的大小并不是由被抽負(fù)載的體積決定的，而是決定于表面積。因此1000L/s分子增壓泵目前也能較廣泛地滿足濺射鍍膜和離子鍍膜設(shè)備的要求，并得以在實(shí)踐中展現(xiàn)其優(yōu)勢。工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的濺射鍍膜和離子鍍膜設(shè)備大體可以分為連續(xù)鍍膜的生產(chǎn)線和周期式鍍膜的分體式設(shè)備。而連續(xù)鍍膜生產(chǎn)線較為典型的亦有兩類，一類是大型平面磁控濺射生產(chǎn)線，主要用于沉積陽光控制膜、低輻射膜、高反射膜等，臥式居多。

20、另一類是透明導(dǎo)電膜（ITO 膜）生產(chǎn)線，一般是立式的。連續(xù)鍍膜生產(chǎn)線一、 大型真空鍍膜生產(chǎn)線 進(jìn)片室所謂進(jìn)片室就是被鍍基片的輸入端，它的特點(diǎn)主要是頻繁進(jìn)行大氣真空的轉(zhuǎn)換，使基片實(shí)現(xiàn)從大氣狀態(tài)進(jìn)入真空狀態(tài)的過程，而這一功能是依靠裝在該室兩端的閥門配合真空機(jī)組來完成的。早期國產(chǎn)設(shè)備進(jìn)片室后直接就是與濺射室相連的過渡室，而進(jìn)口設(shè)備在進(jìn)片室后設(shè)置一緩沖室，緩沖室通過又一閥門與過渡室連接，因此可按有無緩沖室的兩類不同進(jìn)片室分別加以討論。 無緩沖室 門閥門閥其他鍍膜室泵泵圖三 無緩沖室進(jìn)片室示意圖無緩沖室的進(jìn)片室一般配置抽速較大的羅茨滑閥機(jī)組或羅茨旋片機(jī)組。要求在較短的時(shí)間內(nèi)（3分鐘）完成大氣真空的轉(zhuǎn)換，

21、這一時(shí)間隨設(shè)備的產(chǎn)能增加而縮短，甚至要求在不到一分鐘內(nèi)完成這一轉(zhuǎn)換。同時(shí)還需要在這一抽氣過程中達(dá)到盡量低的壓力，這樣在開啟閥門向后輸送基片時(shí)，可以盡量減少混入濺射室的活性氣體，這一壓力應(yīng)在1Pa 左右。對于以上過程傳統(tǒng)配置的真空機(jī)組，在實(shí)際工作中存在明顯缺憾。 首先是真空系統(tǒng)的返油造成了清潔基片的再污染，縱觀玻璃鍍膜的整個(gè)過程，主要分為兩個(gè)階段：前處理階段和鍍膜階段。在前處理過程中用盡一切手段確保基片處于最為潔凈的狀態(tài)，這對于膜層的結(jié)合力、穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。在后續(xù)的鍍膜階段，現(xiàn)代真空技術(shù)提供了清潔的真空環(huán)境，把可能的污染降低到最低程度。但在進(jìn)片室中，羅茨泵的油蒸汽會(huì)對基片造成新的污染，油蒸汽

22、分子和其他氣體分子一樣，處在不斷的運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)碰到基片上時(shí)就會(huì)以較高的粘附幾率附著在基片上，在后續(xù)的沉積過程中將掩埋在膜層之下，無疑會(huì)影響膜層的穩(wěn)定性。另一方面，由于羅茨泵的極限真空不高，受其抽氣能力限制，在進(jìn)片室達(dá)到壓力下限，開啟閥門向過渡室輸入基片時(shí)，進(jìn)片室的壓力一般高于過渡室的壓力，也就是說氣流的方向是由進(jìn)片室流向過渡室。而進(jìn)片室中的殘氣是來自于每周期中進(jìn)入其中的新鮮空氣，不免含有活性氣體成分和來自羅茨泵的油蒸汽，這些不利成分將會(huì)進(jìn)一步污染潔凈的真空系統(tǒng)，而最終產(chǎn)生對膜層的不利因素，上述問題長期的存在于連續(xù)鍍膜生產(chǎn)線，這是不爭的事實(shí)，也曾引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，但為何一直未能解決呢？究其原因亦

23、很簡單，那就是目前在中真空范圍內(nèi)還找不到一種既能取代羅茨泵又能提供清潔真空的裝置，說到底，也就是受到真空獲得設(shè)備的限制。以上僅是油蒸汽對基片污染的一個(gè)方面，另一方面是來自真空機(jī)組前級泵的返油而造成的油污染。返油的過程是油分子由高蒸汽壓的一側(cè)向低蒸汽壓一側(cè)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程，除了油蒸汽的濃度梯度外，它還受分子熱運(yùn)動(dòng)速率和平均自由程的影響，因此在濃度梯度和溫度一定的條件下，油蒸汽分子的擴(kuò)散過程與壓力有關(guān)，一般隨壓力增高，自由程縮短，分子間的碰撞頻繁，擴(kuò)散進(jìn)程變慢，反之亦然。但這也不是絕對的，擴(kuò)散的快慢還與分子在熱運(yùn)動(dòng)中的碰撞的機(jī)制有關(guān)。分子在運(yùn)動(dòng)中的碰撞除了分子之間的碰撞，還包括分子與器壁的碰撞。上述

24、的規(guī)律適用于以分子之間的碰撞為主的情況下。當(dāng)壓力降低到分子的平均自由程大于容器 的有效尺寸時(shí)，分子之間的碰撞可以忽略，主要是分子和器壁的碰撞。由于器壁的表面普遍的存在范德瓦爾力，在該力作用下，分子易于滯留于表面一段時(shí)間，特別對于高分子的油蒸汽分子，粘附幾率較大，滯留效應(yīng)更加顯著，這無疑對油分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是一種阻礙。所以辯證的看，最適于返油的條件應(yīng)存在于某一段壓力范圍內(nèi)，而這范圍一般公認(rèn)為100Pa-0.1Pa 。由于羅茨-滑閥機(jī)組或羅茨-旋片機(jī)組在排氣過程中，連接前級泵的管道不可避免的處于上述壓力范圍，而羅茨泵的壓縮比很低，故前級泵的返油也同樣能對進(jìn)片室內(nèi)的清潔基片造成污染。由于分子增壓泵的抽

25、氣特性，在無緩沖室的進(jìn)片室用分子增壓泵作為主泵取代羅茨泵，則上述的不足和缺憾可以完全消除。首先，分子增壓泵可以實(shí)現(xiàn)清潔真空，杜絕了羅茨泵產(chǎn)生的油污染，并且在1Pa 的壓力下可以達(dá)到額定抽速，所以完全可以在要求的時(shí)間內(nèi)達(dá)到與相鄰的過渡室相同的壓力，甚至更低，這樣在開啟閥門時(shí)能夠大大減少進(jìn)入的活性氣體和油蒸汽。同樣分子增壓泵的高壓縮比可擋住前級泵的返油，再由于其中真空抽氣能力強(qiáng)，在前級泵預(yù)抽達(dá)到100Pa 時(shí)，即可切換到分子增壓泵抽氣，讓預(yù)抽管路的壓力始終不低于100Pa ，即總是處于低返油的壓力，因此多方面抑制了進(jìn)片室油蒸汽的污染。然而這僅是在完成功能的前提下提高了真空的質(zhì)量。而分子增壓泵和羅茨

26、泵在能耗上的巨大反差，必然產(chǎn)生節(jié)能的效果。應(yīng)用實(shí)例：曾將分子增壓泵用于某一國產(chǎn)大型玻璃鍍膜生產(chǎn)線的進(jìn)片室改造，該設(shè)備是有緩沖室的，但進(jìn)片室機(jī)組配置與無緩沖室相同，進(jìn)片室體積1.5m 3, 基片尺寸為1.5m ×2.0m ，沉積高反射膜，配置的真空機(jī)組為ZJ1200和H150，用2臺(tái)800L/s的分子增壓泵取代ZJ1200羅茨泵，保留原H150滑閥泵，當(dāng)H150從大氣預(yù)抽至100Pa 時(shí)，切換到分子增壓泵抽氣，僅數(shù)十秒鐘就能抽至0.5Pa 。由于放氣，低于0.5Pa 壓力下降緩慢，但在規(guī)定時(shí)間仍能抽到更低壓力，而后續(xù)室體即使是沉積室壓力也往往在0.3-0.5Pa ，所以抽氣能力完全符合

27、要求，實(shí)現(xiàn)進(jìn)片室的清潔真空，同時(shí)能耗從羅茨泵的11KW 降低至分子增壓泵的0.4KW ，節(jié)能10KW 以上。 有緩沖室 門閥門閥門閥鍍膜室圖四 有緩沖室進(jìn)片室示意圖緩沖室介于進(jìn)片室和過渡室之間，起到緩解和降低兩室之間的壓力差的作用。而這一作用可以在開啟閥門時(shí)進(jìn)一步減少混入沉積室的有害成分以及引起的壓力波動(dòng)。在無緩沖室的情況下，由于壓力差較高，開啟閥門時(shí)會(huì)較明顯的引起沉積室壓力的變化，因此必須有一個(gè)延時(shí)穩(wěn)定的過程，基片沉積時(shí)，壓力波動(dòng)必然會(huì)產(chǎn)生色差，但延時(shí)顯然對效率不利。緩沖室配置高真空機(jī)組，要求在節(jié)拍時(shí)間內(nèi)抽至與過渡室相同的壓力（0.3-0.5Pa ）。盡管緩沖室的設(shè)置是一個(gè)進(jìn)步，前述的進(jìn)片室

28、的缺憾仍然存在。清洗干凈的基片在進(jìn)片室的轉(zhuǎn)換過程中受到羅茨機(jī)組的油蒸汽污染，而且這一影響還會(huì)持續(xù)到緩沖室內(nèi)，即使緩沖室的機(jī)組能實(shí)現(xiàn)清潔真空。掩埋在膜層之下和混入其中的油分子必然會(huì)影響其化學(xué)穩(wěn)定性，這是隱性的；除此之外油蒸汽對基片的污染還會(huì)對膜層的質(zhì)量造成一種顯性的影響，即針孔。針孔是真空鍍膜的一個(gè)重要指標(biāo)，它有兩種表現(xiàn)形式，一種是膜層沉積后即顯現(xiàn)針孔，這主要是附著在基片上的顆粒狀塵埃造成的?？刂七@一類針孔還是比較容易的。另一種針孔在膜層沉積完并不即刻出現(xiàn)，而是覆蓋上有一定粘度的保護(hù)膜（這往往是必須的，如高反射膜），再經(jīng)過一次粘揭后才會(huì)顯現(xiàn)，因此是隱性的，應(yīng)稱之偽針孔。其產(chǎn)生的原因歸結(jié)為針孔產(chǎn)生

29、處的膜層結(jié)合力太弱，即界面上存在油蒸汽分子團(tuán)甚至更多，這一問題困擾著不少企業(yè)。而分子增壓泵能實(shí)現(xiàn)清潔真空及超強(qiáng)的中真空抽氣能力能使上述問題得到完美的解決，這可通過應(yīng)用實(shí)例來說明。設(shè)備仍是前面涉及的鍍膜生產(chǎn)線，在進(jìn)片端它設(shè)置有緩沖室。原真空機(jī)組配置進(jìn)片室為ZJ1200+H150，而緩沖室主泵為F1500渦輪分子泵。用分子增壓泵對原機(jī)組進(jìn)行改造，進(jìn)片式拆除ZJ1200的羅茨泵，只保留H150的滑閥泵。而緩沖室用兩臺(tái)800L/s的分子增壓泵取代F1500渦輪分子泵，抽氣工藝作如下變動(dòng)，進(jìn)片室在輸入基片關(guān)閉閥門后，由H150滑閥泵抽氣至100Pa ，開啟閥門將基片輸入緩沖室，由于緩沖室和進(jìn)片室體積相同

30、，此時(shí)緩沖室壓力為50Pa ，關(guān)閉閥門后分子增壓泵開始抽氣，在不到一分鐘內(nèi)，緩沖室壓力可降到0.5Pa 以下，盡管滑閥泵有油蒸汽污染，但是抽氣工藝避開了理論上的易于返油的區(qū)域。而緩沖室分子增壓泵在實(shí)現(xiàn)清潔真空的同時(shí)，方能起到緩沖作用，在滿足上述功能上的要求外，這一改造除能耗上節(jié)約10KW 以上，還可以節(jié)省一臺(tái)F1500渦輪分子泵。 濺射室連續(xù)鍍膜生產(chǎn)線進(jìn)出線兩端基本對稱，而其余為濺射沉積部分，根據(jù)產(chǎn)能和開發(fā)膜系的能力可有不同數(shù)量的組合，但每個(gè)單元都是相同的。在這些單元真空機(jī)組的作用是保證沉積的氛圍以及不同氛圍之間的隔離。所配置的泵為高真空泵，常用的有油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵，之所以需要高真空泵是因

31、為沉積氛圍必須建立在高真空本底的基礎(chǔ)上，另外盡量清潔的真空也是膜層沉積所必須的，因此分子增壓泵作為濺射沉積區(qū)域的高真空泵也是非常適合的。同時(shí)它還具有傳統(tǒng)高真空泵所不具備的一些優(yōu)點(diǎn)。 與擴(kuò)散泵機(jī)組比較首先分子增壓泵的高真空機(jī)組，前級只需要一級低真空泵，比油擴(kuò)散泵的三級機(jī)組簡化，可以省去作為增壓泵的羅茨泵，這可減少設(shè)備費(fèi)用，減少占地空間。其次油擴(kuò)散泵的返油造成的真空污染是難以克服的，而分子增壓泵可以實(shí)現(xiàn)清潔真空。另外由于濺射沉積的需求，工作壓力通常在0.5Pa 左右，這已經(jīng)超過了擴(kuò)散泵能夠穩(wěn)定工作的臨界壓力，油蒸汽射流會(huì)受到嚴(yán)重的干擾，因此必須通過節(jié)流增大泵口與真空室之間的流導(dǎo)來降低泵口的壓力，使

32、之回復(fù)到穩(wěn)定工作的狀態(tài)，所以在沉積狀態(tài)下油擴(kuò)散泵的工作穩(wěn)定性是受到質(zhì)疑的。而分子增壓泵在0.5Pa 的工藝壓力下抽氣穩(wěn)定，無須節(jié)流。由于其抽速?zèng)Q定于轉(zhuǎn)速，所以即使要減少抽速，只須通過改變工作頻率降低轉(zhuǎn)速即可。最后，分子增壓泵帶來的節(jié)能效果是顯著的，這含有多重的意義，一方面油擴(kuò)散泵能耗比分子增壓泵高出一個(gè)數(shù)量級；另一方面，節(jié)省的羅茨泵也是高能耗真空泵；對于長時(shí)間抽氣，分子增壓泵對前級泵的抽速要求還可降低，也就是前級泵的能耗還可進(jìn)一步降低。 與渦輪分子泵機(jī)組比較渦輪分子泵作為主泵的機(jī)組，一般也是三級機(jī)組，所以分子增壓泵與之相比，也能使機(jī)組簡化，能耗降低。0.5Pa 的工作壓力使渦輪分子泵入口不能處

33、于分子態(tài)，所以不能正常工作，也需要節(jié)流，較高的沉積壓力下，抽氣沒有分子增壓泵穩(wěn)定。油潤滑的渦輪分子泵不能倒置安裝，而分子增壓泵可以全方位安裝，如泵安裝在濺射室的頂部，泵口向下，可使抽氣的均勻性較之兩側(cè)抽氣得到改善，原萊寶的設(shè)備大都如此。除此之外，由于分子增壓泵軸承線速度小，其壽命顯著延長，耗油量大大減少。該泵具有極強(qiáng)的抗大氣沖擊的能力，渦輪分子泵動(dòng)靜輪易被打光的現(xiàn)象也是絕對不會(huì)發(fā)生的。 由于分子增壓泵中真空超強(qiáng)的抽氣能力，與傳統(tǒng)機(jī)組比較，在抽本底的過程中可采用沖洗抽氣。即當(dāng)壓力達(dá)到0.5Pa 時(shí)可沖入干燥氮?dú)馐箟毫ι?0Pa ，再抽至0.5Pa ，此過程時(shí)間極短，但至少能使室內(nèi)氣體的活性成分

34、降低2個(gè)數(shù)量級，多次反復(fù)進(jìn)行能在相同的抽本底的時(shí)間內(nèi)到達(dá)更好的本底質(zhì)量或是在保證相同的本底質(zhì)量的前提下，可以縮短預(yù)抽本底的時(shí)間。二、ITO 膜生產(chǎn)線此處僅作簡略討論。分子增壓泵可以完全取代ITO 膜生產(chǎn)線的渦輪分子泵及羅茨泵，實(shí)現(xiàn)無羅茨泵的清潔真空機(jī)組。具體的配置如下：進(jìn)片室為分子增壓泵及滑閥泵機(jī)組或僅用滑閥泵，前者可以抽至1Pa 以下，后者抽至低于100Pa ，這兩種配置均能實(shí)現(xiàn)進(jìn)片室的清潔真空。緩沖室為分子增壓泵及旋片泵機(jī)組，亦能實(shí)現(xiàn)清潔真空。濺射室為分子增壓泵和旋片泵機(jī)組，要強(qiáng)調(diào)的是，一臺(tái)30L/s的旋片泵可以同時(shí)作為6臺(tái)1000L/s的分子增壓泵的前級泵，而且在濺射室中一臺(tái)1000L/

35、s的分子增壓泵完全可以取代一臺(tái)1500L/s的渦輪分子泵，這是因?yàn)樵?.3-0.5Pa 的沉積壓力下，分子增壓泵的抽速恒定，而渦輪分子泵的抽速達(dá)不到額定抽速。另一方面，ITO 膜生產(chǎn)線的濺射室內(nèi)由于長時(shí)間連續(xù)工作，活性成分很少，完全可以相應(yīng)降低對抽速的要求。全分子增壓泵的抽氣機(jī)組（含前級泵）不僅結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省空間，而且也可顯著降低能耗。分體式濺射鍍膜，離子鍍膜設(shè)備一、 抽氣工藝 真空機(jī)組濺射鍍膜和離子鍍膜配置的均是高真空機(jī)組，而主泵無論是油擴(kuò)散泵還是渦輪分子泵，一般都是三級機(jī)組，這是因?yàn)檫@兩種泵的吸入壓力不高，所以僅一級前級泵不能正常工作，需用羅茨泵增壓。采用分子增壓泵作為主泵的高真空系統(tǒng)只需

36、兩級機(jī)組，這是由于分子增壓泵吸入壓力高，100Pa 即可正常工作，故無需增壓。分子增壓泵機(jī)組與油擴(kuò)散泵機(jī)組比較，能實(shí)現(xiàn)清潔真空，占地面積減小，還有三重意義上的顯著節(jié)能效果。其一，主泵功耗相差甚大。其二，節(jié)省了羅茨泵的能耗，這也是相當(dāng)可觀的。其三，分子增壓泵對前級泵的抽速要求比傳統(tǒng)泵要小，考慮到縮短預(yù)抽時(shí)間，前級泵應(yīng)有較大的抽速，例如70L/s的預(yù)抽泵可以配置總抽速3000L/s的分子增壓泵，而后者在正常工作時(shí)對前級泵的要求不超過15L/s,這一點(diǎn)的實(shí)際意義在于，整個(gè)鍍膜的周期較長（約2小時(shí)），而預(yù)抽時(shí)間極短（數(shù)分鐘），所以只需配置較小的維持泵，可以大幅度降低前級泵的能耗。同時(shí)可以大大降低大型真

37、空泵的損耗。分子增壓泵與渦輪分子泵機(jī)組比較，機(jī)組簡化，節(jié)省空間，同時(shí)也減少了設(shè)備的費(fèi)用。因?yàn)闇u輪分子泵與分子增壓泵的價(jià)格大致相同，所以羅茨泵的費(fèi)用就顯得重要。另外前級泵的配置可以減小，故仍具有雙重意義的節(jié)能效果。與傳統(tǒng)真空機(jī)組相比，還有一點(diǎn)是值得強(qiáng)調(diào)的，分子增壓泵能在較大壓力下工作。這對工藝的實(shí)現(xiàn)和拓廣創(chuàng)造了條件，以后還會(huì)進(jìn)一步討論這個(gè)問題。 精抽過程前面了解到，由于濺射鍍膜和離子鍍膜的特點(diǎn)，在工件鍍前有一較長的抽氣過程，即所謂精抽過程。其目的就是要在沉積的過程中，將活性氣體的分壓降低到所必須的程度，否則不能保證鍍件的質(zhì)量?；钚詺怏w是影響鍍層品質(zhì)的有害成分，主要是水蒸氣，它來自真空室內(nèi)表面的放

38、氣。要降低活性成分的分壓，就需要減少放氣量。任何表面在一定的壓力和溫度下都有一定量的吸附氣體，隨著空間壓力的降低，比如在抽氣過程中，吸附氣體可以釋放出來；另外隨著溫度的升高，吸附氣體也會(huì)更快的釋放出來。在溫度不變的情況下，氣體的釋放是一個(gè)緩慢的過程，即衡量放氣快慢的物理量放氣量或放氣率是隨時(shí)間線性的減少，但放氣量隨溫度的變化比較敏感，隨溫度的增高呈指數(shù)增大。另外空間壓力對放氣量也有一定的影響，但不是主要因素，特別是壓力在同數(shù)量級范圍內(nèi)時(shí)。針對以上的規(guī)律，合理的鍍前工藝一般采用高溫烘烤下的較長時(shí)間（約40-60分鐘）的精抽過程。精抽的效果最終必須根據(jù)鍍件的質(zhì)量是否受到活性氣體的影響來判斷。但即時(shí)

39、的現(xiàn)場判斷往往來自精抽所達(dá)到的極限壓力這一表象。但這一表象是否能反映本質(zhì)應(yīng)存在質(zhì)疑，因?yàn)榉艢饬渴潜举|(zhì)，而它的大小不僅與壓力有關(guān)，還與此時(shí)的泵的抽速大小有關(guān)，即Q=PS。這僅是表征了放氣量與壓力和抽速之間的數(shù)值關(guān)系，決定放氣量大小的應(yīng)是抽氣時(shí)間、烘烤的溫度，當(dāng)然還有空間壓力，前面已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了與壓力的關(guān)系并不重要，特別是當(dāng)抽氣時(shí)間相同，烘烤溫度相同，而空間壓力又在同一數(shù)量級內(nèi)時(shí)，放氣量的大小應(yīng)基本相同?？臻g壓力對放氣量的影響在于分子碰撞表面引起的再吸附及對脫附氣體分子的背反射，但由于高溫烘烤下的吸附幾率很小，所以使得這一因素處于次要的地位。 鍍膜室鍍膜室3×MB200DZJ-300K-50

40、0(或3×FF200 2X-702X-702X-15圖五 擴(kuò)散泵（分子泵）濺射鍍膜設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 圖六 分子增壓泵濺射鍍膜設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 精抽的效果評估這一問題的討論是有現(xiàn)實(shí)的意義，然而對這一問題的理解可能存在誤區(qū)，精抽的目的是降低活性氣體的放氣量，它主要決定于烘烤的溫度和抽氣時(shí)間，而此時(shí)極限壓力僅是作為一個(gè)標(biāo)志，對同一設(shè)備同一真空機(jī)組這標(biāo)志是有意義的。但對同一設(shè)備更換抽速有適當(dāng)?shù)牟町惖牟煌婵諜C(jī)組時(shí)，這一標(biāo)志便失去了意義。具體來講，對于1500L/s的渦輪分子泵機(jī)組，經(jīng)過精抽后，極限壓力為P ，如果用1000L/s的分子增壓泵取代1500L/s的渦輪分子泵，在同樣的烘烤溫度下，經(jīng)過同樣的抽

41、氣時(shí)間，極限壓力應(yīng)為1.5P ，但這兩種情況下的放氣量應(yīng)基本相同，如果為了達(dá)到相同的極限壓力而延長抽氣時(shí)間則完全失去了意義。二、沉積工藝 輝光清洗利用低氣壓輝光放電產(chǎn)生的等離子體中的帶電粒子對工件表面進(jìn)行轟擊，可以進(jìn)一步促使工件的放氣并清除微小的雜質(zhì)和污漬，起到凈化、改善沉積效果的作用。一般選擇的放電壓力為2Pa ，這是適于放電的壓力范圍，但它不在擴(kuò)散泵和渦輪分子泵正常工作的范圍，為此要采用節(jié)流的措施來應(yīng)對，這就明顯甚至大大地降低了泵的有效抽速，從而導(dǎo)致真空室室內(nèi)的活性氣體分壓升高。分子增壓泵在這一放電壓力基本是滿抽速，所以有利于盡量低的抑制活性氣體分壓，這對工件的轟擊清洗是有利的，因?yàn)榛钚詺?/p>

42、體的脫附過程是可逆的，降低空間的分壓，就能弱化逆過程，而使活性氣體的脫附更加徹底。當(dāng)然有效抽速大，放電所需的工作氣體Ar 氣的流量也大，但這是次要的因素。輝光清洗效果決定于轟擊在工件表面的帶電粒子數(shù)量以及能量。工件的偏壓大小可以改變帶電粒子的能量，但放電的等離子體濃度應(yīng)決定于放電的壓力。因?yàn)椴煌瑲鈮合碌姆烹姷碾婋x度是相同的，約萬分之一。過高的偏壓會(huì)損傷工件的表面，因此提高放電的等離子體濃度可能更有利于轟擊清洗效果的改善，也就是說提高輝光放電的壓力是優(yōu)化清洗效果的一種手段，但對擴(kuò)散泵和渦輪分子泵而言，受抽氣機(jī)制的限制勉為其難，特別是渦輪分子泵，會(huì)承受更大的風(fēng)險(xiǎn)。而分子增壓泵卻具有作出這一嘗試的條

43、件。 沉積過程這一過程由于工作氣體和反應(yīng)氣體的注入，使得沉積壓力一般在0.5Pa 左右，這是傳統(tǒng)的高真空泵諸如油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵不能穩(wěn)定工作的壓力，必須通過節(jié)流使泵保持在穩(wěn)定工作的狀態(tài)，否則沉積壓力波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響沉積膜層的質(zhì)量，而這應(yīng)屬于無奈之舉。因?yàn)楣?jié)流使泵對真空室的有效抽速大大減小，這直接導(dǎo)致了兩個(gè)后果，其一是維持一定的工作壓力，注入的工作氣體和反應(yīng)氣體量顯著減少；其二是當(dāng)真空室的放氣量一定，活性氣體的分壓顯著增高。這兩個(gè)后果往往引起關(guān)注的是前者，而忽略的是后者。注入氣體的減少固然能減少耗材，對總體成本卻微不足道。而活性氣體的分壓增高直接影響膜層的質(zhì)量，所以兩者帶來的利弊是芝麻和西瓜的關(guān)系。同樣是放氣量、抽速、分壓三者的關(guān)系，與精抽過程不同的是，沉積過程應(yīng)更注重抽速，只有較大的抽速才能使活性氣體處在較低的分壓，而對膜層質(zhì)量的影響取決于工件周圍的活性氣體分子的濃度。由于分子增壓泵在0.5Pa 的壓力下可以達(dá)到額定抽速，而且非常穩(wěn)定，所以無需節(jié)流，這樣在經(jīng)過精抽過程、放氣量相同的情況下，分子增壓泵能使沉積氛圍中的活性氣體分壓比傳統(tǒng)泵降至更低，這無疑有利于提高膜層的質(zhì)量。當(dāng)然此時(shí)工作氣體和反應(yīng)氣體的耗量要增加很多，其實(shí)總的成本并不多。如果一味為了節(jié)約氣體不需節(jié)流也強(qiáng)行節(jié)流，則真是撿了芝麻丟了西瓜。對此可能還有一種不實(shí)的看法，即認(rèn)