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真空鍍膜機的系統配置


高真空鍍膜機,鍍膜機是目前制作真空條件應用最為廣泛的設備。其相關組成及各部件:機械泵、增壓泵、油擴散泵、分子泵、冷凝泵、低溫泵、真空測量系統。

下面本人詳細介紹各部分的組成及工作原理。 


  一、真空腔

根據加工產品要求的各異,真空腔的大小也不一樣,目前應用最多的有直徑1.3M、0.9M、1.5M、1.8M等,腔體由不銹鋼材料制作,要求不生銹、堅實等,真空腔各部分有連接閥,用來連接各抽氣泵浦。 



  二、真空獲得系統 

此排氣系統采用“擴散泵+機械泵+羅茨泵+低溫冷阱+Polycold”組成 

排氣流程為:機械泵先將真空腔抽至小于2.0*10-2PA左右的低真空狀態,為擴散泵后繼抽真空提供前提,之后當擴散泵抽真空腔的時候,機械泵又配合油擴散泵組成串聯,以這樣的方式完成抽氣動作。 


排氣系統為鍍膜機真空系統的重要部分,主要有由機械泵、增壓泵(主要介紹羅茨泵)、油擴散泵(或分子泵、低溫泵)三大部分組成。 





機械泵

也叫前級泵,機械泵是應用最廣泛的一種低真空泵,它是用油來保持密封效果并依靠機械的方法不斷的改變泵內吸氣空腔的體積,使被抽容器內氣體的體積不斷膨脹從而獲得真空。 

機械泵有很多種,常用的有滑閥式(應用于大型設備)、活塞往復式、定片式和旋片式(此目前應用最廣泛,本文主要介紹)四種類型。

目前也有干式的前級泵(無油):干式旋片泵、渦旋泵,爪泵、螺桿泵。

機械泵常常被用來抽除干燥的空氣,但不能抽除含氧量過高、有爆炸性和腐蝕性的氣體(這類氣體需要經過特殊處理的前級泵);機械泵一般被用來抽除永久性的氣體,但是對水氣沒有好的效果,所以它不能抽除水氣(需要選用低溫冷阱機進行水汽捕集)。旋片泵中起主要作用的部件是定子、轉子、彈片等,轉子在定子里面但與定子不同心軸,象兩個內切圓,轉子槽內裝有兩片彈片,兩彈片中間裝有彈簧,保證了彈片緊緊貼在定子的內壁。 

它的兩個彈片交替起著兩方面的作用,一方面從進氣口吸進氣體,另一方面壓縮已經吸進的氣體,將氣體排出泵外。轉子每旋轉一周,泵完成兩次吸氣和兩次排氣。當泵連續順時針轉動時,旋片泵不斷的通過進氣口吸入氣體,又從排氣口不斷的排出泵外,實現對容器抽氣的目的。為了提高泵的極限真空度,均將泵的定子浸在油里面這樣,在各處的間隙中及有害空間里面經常保持足夠的油,把空隙填滿,所以油一方面起到了潤滑作用,另一方面又起了密封和堵塞縫隙及有害空間的作用,防止氣體分子通過各種渠道反流到壓強低的空間去。 

機械泵是從大氣開始工作的,它的主要參數有極限真空,抽氣速率,此為設計與選用機械泵的重要依據。單級泵可以將容器從大氣抽到1.0*10-1PA的極限真空,雙級機械泵可以將容器從大氣抽到6.7*10-2帕,甚至更高。 


抽氣速率,是指旋片泵按額定轉數運轉時,單位時間內所能排出氣體的體積,可以用下公式計算:  

Sth=2nVs=2nfsL 

 fs表示吸氣結束時空腔截面積,L表示空腔長度,系數表示轉子每旋轉一周有兩次排氣過程,Vs表示當轉子處于水平位置的時候,吸氣結束,此時空腔內的體積最大,轉速為n。 


機械泵排氣的效果還與電機的轉速及皮帶的松緊度有關系,當電機的皮帶比較松,電機轉速很慢的時候,機械泵的排氣效果也會變差,所以要經常保養,點檢,機械泵油的密封效果也需要常常點檢,油過少,達不到密封效果,泵內會漏氣,油過多,把吸氣孔堵塞,無法吸氣和排氣,一般,在油位在線下0.5厘米即可。

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機械增壓泵

又叫羅茨泵:它是具有一對同步高速旋轉的雙葉形或多葉形轉子的機械泵,由于它的工作原理與羅茨鼓風機相同,所以又可以叫羅茨真空泵,此泵在100-1帕壓強范圍內有較大的抽氣速度,它彌補了機械泵在此范圍內排氣能力不足的缺點,此泵不能從大氣開始工作,也不能直接排出大氣,它的作用僅僅是增加進氣口和排氣口之間的壓差,其余的則需要機械泵來完成,因此,它必須配以機械泵作為前級泵。

機械泵在使用過程中,必須注意以下問題: 

  1、機械泵要安裝在清潔干燥的地方。 

  2、泵本身要保持清潔干燥,泵內的油具有密封和潤滑作用,因此要按照規定量添加。 

  3、要定期更換泵油,更換的時候要先排出以前的廢油,周期為至少三個月至半年更換一次。 

  4、要按照說明書接好電線。 

  5、機械泵停止工作前要先關閉進氣閥門,再停電并開放氣閥,將大氣通過進氣口放入泵中。 

  6、泵在工作期間,油溫不可以超過75攝氏度,否則會由于油的黏度過小而導致密封不嚴。 

  7、要不定期檢點機械泵的皮帶松緊度、電機的轉速,羅茨泵電機的轉速,和密封圈的密封效果。

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油擴散泵

機械泵的極限真空只有10-2帕,當達到10-1帕的時候,實際抽速只有理論的1/10,如果要獲得高真空的話,必須采用油擴散泵。 

由于油擴散泵是最早用來獲得高真空的泵,其由于造價便宜,維護方便,使用廣泛,所以本文將重點討論。 

油擴散泵的應用壓強范圍是10-1帕-10-7帕,它是利用氣體的擴散現象來排氣的,它具有結構簡單,操作方便,抽速大(最高可以達到10+5升/秒)等特點。油擴散泵主要由泵殼、噴嘴、導流管和加熱器組成,里面主要添加擴散泵油(日本的型號是D-704#),根據噴嘴的多少可以分為單級泵和多級泵。 

擴散泵底部內儲存有擴散泵油,上部為進氣口,右側旁下部為出氣口,在工作時出氣口由機械泵提供前置壓強,機械泵充當前置泵。 

當擴散泵的油被電爐加熱時,產生的油蒸汽提供前置壓強,機械泵充當前置泵。當擴散泵油被電爐加熱時,產生的油蒸汽沿著導流管經傘形噴嘴向下噴出。因噴嘴外面有機械泵提供的1-10-1帕的真空,故油蒸汽可噴出一段距離,構成一個向出氣口方向運動的射流。射流最后碰上由冷卻水冷卻的泵壁,凝結為液體,流回蒸發器,即靠油的蒸發——噴射——凝結,重復循環來實現抽氣的。 

由進氣口進入泵內的氣體分子,一旦落入蒸汽流中,便獲得向下運動的動量,向下飛去,由于射流具有高的流速(約200米/秒),高的蒸汽密度,且擴散泵油具有高的分子量(300-500)故能有效的帶走氣體分子,因此在射流的界面內,氣體分子不可能長期滯留,且在射流界面的兩邊,被抽氣體有很大的濃度差,正是因為這個濃度差被抽氣體能不斷的越過界面,擴散進入射流中,被帶往出口處,在出口處再由機械泵抽走。 

擴散泵的油蒸汽壓是決定泵的極限真空的重要因素,因此盡量選用飽和蒸汽壓低的泵油,其化學特性要好。 

擴散泵不能單獨用來抽氣,一般要求泵的最大出口壓強為40帕。擴散泵的抽速決定于第一級噴嘴與泵體進氣口口徑間環形面積的大小,抽速不是一恒定的值,而是隨著進氣口的壓強而變化的,當壓強在10-2~10-3帕的時候,擴散泵的抽氣速度是最快的,當壓強小于5*10-4帕之后,擴散泵的抽氣速度最小,幾乎沒有抽氣能力(此時,進氣口的壓強較高,由于空氣的密度較大,使蒸汽流形成不了高速射流以阻擋空氣的反擴散,所以抽速下降)。 

擴散泵在安裝前要清洗,之后才可以裝入擴散油,油在加熱前,必須要先對泵抽真空,停機前要先將擴散泵油冷卻到60~70攝氏度,才可以關閉前級抽氣,最后關冷卻。 

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低溫冷阱

由于油擴散泵是無法杜絕有返油的幾率,所以常配有低溫冷阱做輔助。

低溫冷阱工作原理將一個冷阱盤管或擋板,放置在油擴散泵的泵口,通過制冷盤管表面,實現低溫冷凝效應,防止油蒸汽進入腔體進行污染。

低溫冷阱也有用于屏蔽前段工藝的熱輻射。

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分子泵

利用高速旋轉的葉片把動量傳輸給氣體分子,使之獲得定向速度,從而被壓縮、被驅向排氣口后為前級抽走的一種真空泵。

由于分子泵無油,可以獲得清潔的真空環境。

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冷凝泵(低溫泵)

由于油擴散泵是無法杜絕有返油的幾率,那么沒有辦法保證精密產品的100%純凈,特別是半導體行業,所以就有“高真空冷凝泵+低真空機械泵”所組成的無油真空系統,冷凝泵組成的排氣系統不僅排氣效率極高,而且有效保證真空腔的清潔,保證產品的質量(避免產品被污染、增強膜層與基板之間的附著力),但是其維護成本非常的高,造價昂貴,所以普及率沒有油擴散泵廣泛。 

低溫冷凝泵:它是利用低溫表面來凝聚氣體分子以實現抽氣的一種泵,是目前獲得極限真空最高,抽速最大的抽氣泵。 

冷凝泵的工作原理:主要是低溫表面對氣體的冷凝作用、冷捕作用及物理低溫吸附作用。 

低溫冷凝:根據各種氣體的特性,采用液氦或者制冷循環氦氣來冷卻。 

冷捕集:就是不可凝氣體被可凝氣體捕集的現象,通常二氧化碳、水蒸氣、氮氣、壓氣等氣體首先形成霜,于低溫表面形成吸附層,進而達到吸附其它氣體的目的,低溫泵抽除混合氣體的效果比抽除單一效果好就是這個原因。 

低溫吸附:指低溫表面上的吸附劑吸附氣體的作用,由于吸附劑與氣體分子之間的相互作用很強,故可達到氣相壓強比冷凝表面溫度下它的飽和蒸汽壓還低的水平。吸附劑通常是活性炭。 

冷凝泵的抽氣速率及影響 冷凝泵的抽氣速率與冷凝表面的面積大小有關系,經數據顯示,單位冷凝表面積下的抽氣速率為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幾何形狀及位置、活性炭的顆粒結構、粘結材料及粘接工藝,對抽速也有很大的影響。其次關鍵在于制冷機的制冷量要足夠大。 






冷凝泵(Polycold水汽捕集深冷泵)

為了加快抽氣速率,達到一定的真空度,還需要對真空腔進行制冷,就是將真空腔里面的空氣冷凍到零下130攝氏度,將真空腔里面的水氣冷凍并被泵抽走。(Polycold)

深冷泵:水汽捕集深冷泵工作原理將一個冷阱盤管或擋板,放置在真空室內的腔壁上或油擴散泵的泵口,通過制冷盤管表面,實現低溫冷凝效應,迅速捕集真空泵統中的水汽分子(主要)或其它殘余氣體分子。

對鍍膜工藝效果影響較大,可以獲得潔凈的真空環境,提高產品的產量和質量,改善鍍膜的品質,提高薄膜的附著力和多層鍍膜能力。

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三、真空測量及控制系統


真空計:真空計是真空鍍膜機器上的重要組成部分,它是檢測鍍膜機真空度的重要手段。真空計根據其工作原理可以分為絕對真空計和相對真空計,絕對真空計可以直接測量壓強的高低,相對真空計只能間接測量真空度。 

 本論文重點介紹鍍膜機器上面常用到的以下幾個真空計: 

電阻真空計(又叫皮拉尼真空計): 

它主要由電熱絲、外殼和支架構成,主要是根據在低壓下,氣體的熱傳導系數與壓強成正比的方式工作的。上面開口處與被測真空系統相連接,熱絲采用電阻溫度系數大的金屬絲做成,兩支支架引線與測量線路連接。當壓強降低的時候,由于氣體熱傳導散失的熱量減小,因此當熱絲加熱電流穩定時候,則熱絲溫度就上升,熱絲的電阻就增大,用測量熱絲電阻值的大小來間接測量壓強。


熱陰極真空計:

熱陰極離子規管的壓力指示是基于氣體分子電離產生的連續電流。負電子由從加熱的陰極以控制良好的固定速率射出并朝著帶正電的柵極(陽極)加速運動。電子進入柵極和對地連接的收集極空間內。在這個空間內電子與真空系統中的氣體分子碰撞產生正離子。然后正離子被位于柱狀柵極中心軸處的接地的收集極收集。在固定的燈絲對柵極的電壓和電子發射電流下,壓力低于10-3Torr時正離子形成率直接與分子密度(壓力)相關。離子流的強度在經壓力單位調校的微安計上顯示出來。由于壓力的指數是線性的,熱陰極離子規管通常在壓力低于10-3Torr時被認為進行連續的壓力測量時精確的。


冷陰極真空計 

工作原理:在放電開始時,由于空間游離電子向陽極運動時,在正交電磁場作用下,電子的軌跡不是直線而是螺旋線前進,又因為陽極是框形,故電子不一定第一次就碰上陽極,而是穿過陽極,然后受到對面陰極的拒斥,又復返回。這樣反復多次才可能打上陽極。由于電子路程大大加長,故碰撞及電離的分子數增加,使得在較低壓強(10-4帕以下)仍維持放電(也稱潘寧放電)。

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四、電源供給系統 


鍍膜機主機電源主要是變壓器等工業標準電源設備

靶電源主要有直流電源、中頻電源、脈沖電源、射頻電源(RF),常見的電源廠商有AE,ADL,霍廷格等



五、工藝氣體輸入控制系統


工藝氣體,如氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氮氣(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氫氣(H2)、氧氣(O2)等,一般均由氣瓶供應,經氣體減壓閥、氣體截止閥、管路、氣體流量計、電磁閥、壓電閥,然后通入真空室。這種氣體輸入系統的優點是,管路簡捷、明快,維修或更換氣瓶容易。各涂層機之間互不影響。也有多臺涂層機共用一組氣瓶的情況,這種情況在一些規模較大的涂層車間可能有機會看到。它的好處是,減少氣瓶占用量,統一規劃、統一布局。缺點是,由于接頭增多,使漏氣機會增加。而且,各涂層機之間會互相干擾,一臺涂層機的管路漏氣,有可能會影響到其他涂層機的產品質量。此外,更換氣瓶時,必須保證所有機臺都處于非用氣狀態。

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六、機械傳動及工件裝載部分


涂層要求周邊必須厚度均勻一致,因此,在涂層過程中須有三個轉動量才能滿足要求。即在要求大工件臺轉動(I)的同時,小的工件承載臺也轉動( II),并且工件本身還能同時自轉(III)。在機械設計上,一般是在大工件轉盤底部中央為一大的主動齒輪,周圍是一些小的星行輪與之嚙合,如果要實現產品自轉的話,一般用撥叉撥動工件裝載架自轉。

在鍍膜過程中還需要回轉控制系統,就是將傘具的主軸置于軸承里面,然后再利用電機帶動軸承,使傘具回轉。然后再PLC控制其回轉速度。 

坩堝回轉采用電機帶動,光電感應計數的方法,遮板采用氣動開關方式轉動。



七、蒸發及濺射系統、膜材


蒸發系統主要指成膜裝置部分,鍍膜機器的成膜裝置很多,有電阻加熱、電子槍蒸發、磁控濺射、射頻濺射、離子鍍等多種方式,本文就電阻加熱和電子槍蒸發兩種方式作介紹:

電阻蒸發根據其結構和工作原理是目前為止應用最多,最廣泛的蒸發方式,也是應用時間最長的蒸發方式。它的工作方式是,將鎢片做成船狀,然后安裝在兩個電極中間,在鎢舟中央加上藥材,再緩緩給電極通電,電流通過鎢舟,鎢舟通電發熱,這些低電壓,大電流使高熔點的鎢舟產生熱量,再熱傳導給鍍膜材料,當鎢舟的熱量高于鍍膜材料熔點的時候,材料就升華或者蒸發了,此方法由于操作方便,結構簡單,成本低廉,故被很多設備應用,但是其蒸發出來的薄膜由于致密性不佳,加上很多材料無法采用這種方式蒸鍍,所以其有一定局限性。鎢舟蒸發鍍膜材料的時候,材料的熔點必須小于鎢舟的熔點,否則就沒有辦法進行。 


電子槍蒸發是到目前為止應用最多的一種蒸發方式,它可以蒸發任何一種鍍膜材料,它的工作方式是:將鍍膜材料放在坩堝里面,將蒸發源制作成燈絲形狀,采用一專門的控制柜,對燈絲加一強電流,高電壓,由于燈絲的材料是鎢,所以它會發熱,到最后會發射電子,再采用一定的磁場將其聚集成一定形狀,并牽引到坩堝上,這樣就形成了一股電子束,由于電子束溫度非常高,可以熔化任何鍍膜藥材,當鍍膜藥材被電子束熔化后(有些材料是直接升華),材料的分子(原子或者離子)在真空中成直線運動,然后遇到基板,就凝結下來,經過這種方式生長,形成薄膜。最常用的有將電子束的偏轉角制作成270度,或者運行軌跡為e型的e行電子槍或者 電子束偏轉角180度,運行軌跡為c型的c型電子槍兩種。 

電子束蒸發的最大優點在于:電子束的光斑可以隨意調整,可以一槍多用,燈絲可以隱藏,避免污染,可以蒸發任意鍍膜材料,維修方便,蒸發速度可以隨意控制,材料分解小,膜密度高。機械強度好。 


濺射方式是用高速正離子轟擊靶材表面,通過動能傳輸,令靶材的分子(原子)有足夠的能量從靶材表面逸出,在產品表面凝聚形成薄膜。 用濺射的方法制鍍的薄膜附著性強,薄膜的純度高,可以同時濺射多種不同成分的材料,但是對靶材的要求高,不能象電子槍一樣節約資源。 

目前運用最多的有磁控濺射,磁控濺射是指平行于陰極表面施加強電場,將電子約束在陰極靶材表面附近,提高電離效率。它是操作最簡單的一種,所以運用非常廣。 


鍍膜材料一般是加熱靶材使表面組分以原子團或離子形式被蒸發出來,并且沉降在基片表面,通過成膜過程(散點-島狀結構-迷走結構-層狀生長)形成薄膜。

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 八、成膜控制系統 


薄膜監控目前應用方式比較多,主要有:目視監控法,定(極值)值監控、水晶振蕩監控、時間監控等等。本人主要介紹目視監控、定(極值)監控和水晶振蕩監控三種。 

目視監控也叫直接監控,就是采用眼睛監控,因為薄膜在生長的過程中,由于干涉現象會有顏色變化,我們就是根據顏色變化來控制膜厚度的,此種方式有一定的誤差,所以不是很準確,需要依靠經驗。 

定值(極值)監控:主要是采用反射式(透過式)光學監控。極值監控法:當膜厚度增加的時候其反射率和穿透率會跟著起變化,當反射率或穿透率走到極值點的時候,就可以知道鍍膜之光學厚度ND是監控波長(入)的四分之一的整數倍。但是極值的方法誤差比較大,因為當反射率或者透過率在極值附近變化很慢,亦就是膜厚ND增加很多,R/T才有變化。反映比較靈敏的位置在八分之一波長處。 

定值監控法:此方法利用停鍍點不在監控波長四分之一波位,然后由計算機計算在波長一時總膜厚之反射率(或者穿透率)是多少,此即為停止鍍膜點。 

水晶振蕩監控: 

晶振蕩的工作原理是:利用石英晶體振動頻率與其質量成反比的原理工作的。但是石英監控有一個不好之處就是當膜厚增加到一定厚度后,振動頻率不全然由于石英本身的特性使厚度與頻率之間有線性關系,此時必須使用新的石英振蕩片。

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幾種監控方法各有優劣,但通常鍍多層膜,會以光學監控為主,石英晶體振蕩為輔助的方法。 


除此之外,

需要配備水冷系統,一般采用工業冷水機。

電氣控制部分主要采用PLC自動控制,就是先在PLC中輸入預先設計好的程序,處理器主電路與操作面板上的各空駛系統相連接,當按下操作面板上的開關的時候,信息傳遞到中央處理器,再由中央控制系統分析并發出指令由支路執行并完成動作。 

鍍膜機是集多門學科的設備,它集成了當今工業最先進的機電技術,控制技術、電氣自動化、IT技術、制冷技術,微電路集成系統、高壓控制系統、機械技術、加工技術、光電技術、光學技術、氣動控制技術、光電傳感技術、通訊技術、真空技術、薄膜光學與鍍膜技術等等。 可以說鍍膜機是新興的產業代表。 


到今天,鍍膜機已經被廣泛應用,制鍍薄膜尤其廣泛,其制作的各種薄膜被應用到各光電系統及光學儀器中,如數碼相機、數碼攝像機、望遠鏡、投影機、能量控制、光通訊、顯示技術、干涉儀、人造衛星飛彈、半導體激光、微機電系統、信息工業、激光的制作、各種濾光片、照明工業、傳感器、建筑玻璃、汽車工業、裝飾品、錢幣、眼鏡片等等,鍍膜機器已經與人類的生活緊密聯系。 

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