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真空镀膜机的详细结构Last updated on the afternoon of January 3, 2021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*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*10-1PA的极限真空，双级机械 泵可以将容器从大气抽到*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=2nfsLfs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，在油位下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，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 的蒸发一喷射—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，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10-2 - 10-3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）。

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60-70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，采用液氨或者制冷循环氨气来冷却冷捕集：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*10-3~2*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 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。