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| 真空鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 |
| 發(fā)布時(shí)間：2014-06-24 瀏覽： 次 |
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一、真空主體——真空腔 根據(jù)加工產(chǎn)品要求的各異，真空腔的大小也不一樣，目前應(yīng)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(jiān)實(shí)等，真空腔各部分有連接閥，用來連接各抽氣泵浦。 二、輔助抽氣系統(tǒng) 此排氣系統(tǒng)采用“擴(kuò)散泵+機(jī)械泵+羅茨泵+低溫冷阱+polycold”組成 排氣流程為：機(jī)械泵先將真空腔抽至小于2.0*10-2PA左右的低真空狀態(tài)，為擴(kuò)散泵后繼抽真空提供前提，之后當(dāng)擴(kuò)散泵抽真空腔的時(shí)候，機(jī)械泵又配合油擴(kuò)散泵組成串聯(lián)，以這樣的方式完成抽氣動作。 排氣系統(tǒng)為鍍膜機(jī)真空系統(tǒng)的重要部分，主要有由機(jī)械泵、增壓泵(主要介紹羅茨泵)、油擴(kuò)散泵三大部分組成。 機(jī)械泵：也叫前級泵，機(jī)械泵是應(yīng)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(jī)械的方法不斷的改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹從而獲得真空。 機(jī)械泵有很多種，常用的有滑閥式(此主要應(yīng)用于大型設(shè)備)、活塞往復(fù)式、定片式和旋片式(此目前應(yīng)用最廣泛，本文主要介紹)四種類型。 機(jī)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，機(jī)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。 旋片泵中起主要作用的部件是定子、轉(zhuǎn)子、彈片等，轉(zhuǎn)子在定子里面但與定子不同心軸，象兩個(gè)內(nèi)切圓，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)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(nèi)壁。 它的兩個(gè)彈片交替起著兩方面的作用，一方面從進(jìn)氣口吸進(jìn)氣體，另一方面壓縮已經(jīng)吸進(jìn)的氣體，將氣體排出泵外。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，泵完成兩次吸氣和兩次排氣。 當(dāng)泵連續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，旋片泵不斷的通過進(jìn)氣口吸入氣體，又從排氣口不斷的排出泵外，實(shí)現(xiàn)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(jīng)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(qiáng)低的空間去。 機(jī)械泵是從大氣開始工作的，它的主要參數(shù)有極限真空，抽氣速率，此為設(shè)計(jì)與選用機(jī)械泵的重要依據(jù)。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(jī)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(zhuǎn)數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)所能排出氣體的體積，可以用下公式計(jì)算： Sth=2nVs=2nfsL fs表示吸氣結(jié)束時(shí)空腔截面積，L表示空腔長度，系數(shù)表示轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周有兩次排氣過程，Vs表示當(dāng)轉(zhuǎn)子處于水平位置的時(shí)候，吸氣結(jié)束，此時(shí)空腔內(nèi)的體積最大，轉(zhuǎn)速為n。 機(jī)械泵排氣的效果還與電機(jī)的轉(zhuǎn)速及皮帶的松緊度有關(guān)系，當(dāng)電機(jī)的皮帶比較松，電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢的時(shí)候，機(jī)械泵的排氣效果也會變差，所以要經(jīng)常保養(yǎng)，點(diǎn)檢，機(jī)械泵油的密封效果也需要常常點(diǎn)檢，油過少，達(dá)不到密封效果，泵內(nèi)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。 增壓泵又叫羅茨泵：它是具有一對同步高速旋轉(zhuǎn)的雙葉形或多葉形轉(zhuǎn)子的機(jī)械泵，由于它的工作原理與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相同，所以又可以叫羅茨真空泵，此泵在100-1帕壓強(qiáng)范圍內(nèi)有較大的抽氣速度，它彌補(bǔ)了機(jī)械泵在此范圍內(nèi)排氣能力不足的缺點(diǎn)，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(jìn)氣口和排氣口之間的壓差，其余的則需要機(jī)械泵來完成，因此，它必須配以機(jī)械泵作為前級泵。 機(jī)械泵在使用過程中，必須注意以下問題： 1、機(jī)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(nèi)的油具有密封和潤滑作用，因此要按照規(guī)定量添加。 3、要定期更換泵油，更換的時(shí)候要先排出以前的廢油，周期為至少三個(gè)月至半年更換一次。 4、要按照說明書接好電線。 5、機(jī)械泵停止工作前要先關(guān)閉進(jìn)氣閥門，再停電并開放氣閥，將大氣通過進(jìn)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(dǎo)致密封不嚴(yán)。 7、要不定期檢點(diǎn)機(jī)械泵的皮帶松緊度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速，羅茨泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，和密封圈的密封效果。 油擴(kuò)散泵：機(jī)械泵的極限真空只有10-2帕，當(dāng)達(dá)到10-1帕的時(shí)候，實(shí)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(kuò)散泵。 由于油擴(kuò)散泵是最早用來獲得高真空的泵，其由于造價(jià)便宜，維護(hù)方便，使用廣泛，所以本文將重點(diǎn)討論。 油擴(kuò)散泵的應(yīng)用壓強(qiáng)范圍是10-1帕-10-7帕，它是利用氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象來排氣的，它具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，抽速大(最高可以達(dá)到10+5升/秒)等特點(diǎn)。油擴(kuò)散泵主要由泵殼、噴嘴、導(dǎo)流管和加熱器組成，里面主要添加擴(kuò)散泵油(日本的型號是D-704#)，根據(jù)噴嘴的多少可以分為單級泵和多級泵。 擴(kuò)散泵底部內(nèi)儲存有擴(kuò)散泵油，上部為進(jìn)氣口，右側(cè)旁下部為出氣口，在工作時(shí)出氣口由機(jī)械泵提供前置壓強(qiáng)，機(jī)械泵充當(dāng)前置泵。 當(dāng)擴(kuò)散泵的油被電爐加熱時(shí)，產(chǎn)生的油蒸汽提供前置壓強(qiáng)，機(jī)械泵充當(dāng)前置泵。當(dāng)擴(kuò)散泵油被電爐加熱時(shí)，產(chǎn)生的油蒸汽沿著導(dǎo)流管經(jīng)傘形噴嘴向下噴出。 因噴嘴外面有機(jī)械泵提供的1-10-1帕的真空，故油蒸汽可噴出一段距離，構(gòu)成一個(gè)向出氣口方向運(yùn)動的射流。射流最后碰上由冷卻水冷卻的泵壁，凝結(jié)為液體，流回蒸發(fā)器，即靠油的蒸發(fā)——噴射——凝結(jié)，重復(fù)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)抽氣的。 由進(jìn)氣口進(jìn)入泵內(nèi)的氣體分子，一旦落入蒸汽流中，便獲得向下運(yùn)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(kuò)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(nèi)，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?yàn)檫@個(gè)濃度差被抽氣體能不斷的越過界面，擴(kuò)散進(jìn)入射流中，被帶往出口處，在出口處再由機(jī)械泵抽走。 擴(kuò)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(xué)特性要好。 擴(kuò)散泵不能單獨(dú)用來抽氣，一般要求泵的最大出口壓強(qiáng)為40帕。擴(kuò)散泵的抽速決定于第一級噴嘴與泵體進(jìn)氣口口徑間環(huán)形面積的大小，抽速不是一恒定的值，而是隨著進(jìn)氣口的壓強(qiáng)而變化的，當(dāng)壓強(qiáng)在10-2～10-3帕的時(shí)候，擴(kuò)散泵的抽氣速度是最快的，當(dāng)壓強(qiáng)小于5*10-4帕之后，擴(kuò)散泵的抽氣速度最小，幾乎沒有抽氣能力(此時(shí)，進(jìn)氣口的壓強(qiáng)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(kuò)散，所以抽速下降)。 擴(kuò)散泵在安裝前要清洗，之后才可以裝入擴(kuò)散油，油在加熱前，必須要先對泵抽真空，停機(jī)前要先將擴(kuò)散泵油冷卻到60～70攝氏度，才可以關(guān)閉前級抽氣，最后關(guān)冷卻水。 由于油擴(kuò)散泵是無法杜絕有返油的幾率，那么沒有辦法保證精密產(chǎn)品的100%純凈，特別是半導(dǎo)體行業(yè)，所以就有“高真空冷凝泵+低真空機(jī)械泵”所組成的無油真空系統(tǒng)，冷凝泵組成的排氣系統(tǒng)不僅排氣效率極高，而且有效保證真空腔的清潔，保證產(chǎn)品的質(zhì)量(避免產(chǎn)品被污染、增強(qiáng)膜層與基板之間的附著力)，但是其維護(hù)成本非常的高，造價(jià)昂貴，所以普及率沒有油擴(kuò)散泵廣泛。 本人在工作過程中，有幸使用到采用冷凝泵組成的排氣系統(tǒng)，故在此解釋。 低溫冷凝泵：它是利用低溫表面來凝聚氣體分子以實(shí)現(xiàn)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(jù)各種氣體的特性，采用液氦或者制冷循環(huán)氦氣來冷卻。 冷捕集：就是不可凝氣體被可凝氣體捕集的現(xiàn)象，通常二氧化碳、水蒸氣、氮?dú)?、壓氣等氣體首先形成霜，于低溫表面形成吸附層，進(jìn)而達(dá)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(gè)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(qiáng)，故可達(dá)到氣相壓強(qiáng)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(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)、粘結(jié)材料及粘接工藝，對抽速也有很大的影響。 其次關(guān)鍵在于制冷機(jī)的制冷量要足夠大。 真空計(jì)：真空計(jì)是真空鍍膜機(jī)器上的重要組成部分，它是檢測鍍膜機(jī)真空度的重要手段。真空計(jì)根據(jù)其工作原理可以分為絕對真空計(jì)和相對真空計(jì)，絕對真空計(jì)可以直接測量壓強(qiáng)的高低，相對真空計(jì)只能間接測量真空度。 本論文重點(diǎn)介紹鍍膜機(jī)器上面常用到的以下幾個(gè)真空計(jì)： 電阻真空計(jì)(又叫皮喇尼真空計(jì))： 它主要由電熱絲、外殼和支架構(gòu)成，主要是根據(jù)在低壓下，氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)與壓強(qiáng)成正比的方式工作的。 上面開口處與被測真空系統(tǒng)相連接，熱絲采用電阻溫度系數(shù)大的金屬絲做成，兩支支架引線與測量線路連接。 當(dāng)壓強(qiáng)降低的時(shí)候，由于氣體熱傳導(dǎo)散失的熱量減小，因此當(dāng)熱絲加熱電流穩(wěn)定時(shí)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(qiáng)，有以下關(guān)系： 略 這就是電阻真空計(jì)的工作原理，此真空計(jì)的測量范圍是：100-10-1帕之間，目前采用的型號是WP-02 磁控放電真空計(jì)： 工作原理：在放電開始時(shí)，由于空間游離電子向陽極運(yùn)動時(shí)，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(jìn)，又因?yàn)殛枠O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(fù)返回。這樣反復(fù)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(shù)增加，使得在較低壓強(qiáng)(10-4帕以下)仍維持放電(也稱潘寧放電)。 目前比較多的型號有PKR251、GI-PARY 放電管真空計(jì)：在玻璃管中封入兩個(gè)金屬電極，在其上加上數(shù)千伏的直流高電壓，在一定的壓強(qiáng)范圍內(nèi)(1*10-3～2*10托)內(nèi)就能引起自持放電，通過放電顏色來判定其真空度 目前為止此種真空計(jì)已經(jīng)很少使用，因?yàn)槠湔`差大，容易損壞，而且壽命不長。 三、蒸發(fā)系統(tǒng) 蒸發(fā)系統(tǒng)主要指成膜裝置部分，鍍膜機(jī)器的成膜裝置很多，有電阻加熱、電子槍蒸發(fā)、磁控濺射、射頻濺射、離子鍍等多種方式，鄙人就電阻加熱和電子槍蒸發(fā)兩種方式作介紹，因?yàn)榇藘煞N方式我應(yīng)用的比較多。 電阻蒸發(fā)根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理是目前為止應(yīng)用最多，最廣泛的蒸發(fā)方式，也是應(yīng)用時(shí)間最長的蒸發(fā)方式。 它的工作方式是，將鎢片做成船狀，然后安裝在兩個(gè)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(fā)熱，這些低電壓，大電流使高熔點(diǎn)的鎢舟產(chǎn)生熱量，再熱傳導(dǎo)給鍍膜材料，當(dāng)鎢舟的熱量高于鍍膜材料熔點(diǎn)的時(shí)候，材料就升華或者蒸發(fā)了，此方法由于操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，故被很多設(shè)備應(yīng)用，但是其蒸發(fā)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(fā)鍍膜材料的時(shí)候，材料的熔點(diǎn)必須小于鎢舟的熔點(diǎn)，否則就沒有辦法進(jìn)行。 電子槍蒸發(fā)是到目前為止應(yīng)用最多的一種蒸發(fā)方式，它可以蒸發(fā)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(fā)源制作成燈絲形狀，采用一專門的控制柜，對燈絲加一強(qiáng)電流，高電壓，由于燈絲的材料是鎢，所以它會發(fā)熱，到最后會發(fā)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(dāng)鍍膜藥材被電子束熔化后(有些材料是直接升華)，藥材的分子(原子或者離子)在真空中成直線運(yùn)動，然后遇到基板，就凝結(jié)下來，經(jīng)過這種方式生長，形成薄膜!最常用的有將電子束的偏轉(zhuǎn)角制作成270度，、或者運(yùn)行軌跡為e型的e行電子槍或者電子束偏轉(zhuǎn)角180度，運(yùn)行軌跡為c型的c型電子槍兩種。 電子束蒸發(fā)的最大優(yōu)點(diǎn)在于：電子束的光斑可以隨意調(diào)整，可以一槍多用，燈絲可以隱藏，避免污染，可以蒸發(fā)任意鍍膜材料，維修方便，蒸發(fā)速度可以隨意控制，材料分解小，膜密度高。機(jī)械強(qiáng)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(chǎn)品表面凝聚形成薄膜。 用濺射的方法制鍍的薄膜附著性強(qiáng)，薄膜的純度高，可以同時(shí)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(jié)約資源。 目前運(yùn)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(qiáng)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(yùn)用非常廣。 四、成膜控制系統(tǒng) 薄膜監(jiān)控目前應(yīng)用方式比較多，主要有：目視監(jiān)控法，定(極值)值監(jiān)控、水晶振蕩監(jiān)控、時(shí)間監(jiān)控等等。本人主要介紹目視監(jiān)控、定(極值)監(jiān)控和水晶振蕩監(jiān)控三種。 目視監(jiān)控也叫直接監(jiān)控，就是采用眼睛監(jiān)控，因?yàn)楸∧ぴ谏L的過程中，由于干涉現(xiàn)象會有顏色變化，我們就是根據(jù)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(zhǔn)確，需要依靠經(jīng)驗(yàn)。 定值(極值)監(jiān)控：主要是采用反射式(透過式)光學(xué)監(jiān)控。極值監(jiān)控法：當(dāng)膜厚度增加的時(shí)候其反射率和穿透率會跟著起變化，當(dāng)反射率或穿透率走到極值點(diǎn)的時(shí)候，就可以知道鍍膜之光學(xué)厚度ND是監(jiān)控波長(入)的四分之一的整數(shù)倍。 但是極值的方法誤差比較大，因?yàn)楫?dāng)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(jiān)控法：此方法利用停鍍點(diǎn)不在監(jiān)控波長四分之一波位，然后由計(jì)算機(jī)計(jì)算在波長一時(shí)總膜厚之反射率(或者穿透率)是多少，此即為停止鍍膜點(diǎn)。 水晶振蕩監(jiān)控： 水晶振蕩的工作原理是：利用石英晶體振動頻率與其質(zhì)量成反比的原理工作的。但是石英監(jiān)控有一個(gè)不好之處就是當(dāng)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(guān)系，此時(shí)必須使用新的石英振蕩片。 幾種監(jiān)控方法各有優(yōu)劣，但通常鍍多層膜，會以光學(xué)監(jiān)控為主，石英晶體振蕩為輔助的方法。 除此之外，對于有些在鍍膜過程中需要充入氣體的還有流量控制計(jì)或者壓力控制計(jì)，這些需要采用精密的閥門和光電傳感系統(tǒng)來控制。 在鍍膜過程中還需要回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，就是將傘具的主軸置于軸承里面，然后再利用電機(jī)帶動軸承，使傘具回轉(zhuǎn)。然后再PLC控制其回轉(zhuǎn)速度。 坩堝回轉(zhuǎn)采用電機(jī)帶動，光電感應(yīng)計(jì)數(shù)的方法，遮藥板采用氣動開關(guān)方式轉(zhuǎn)動。 為了加快抽氣速率，達(dá)到一定的真空度，還需要對真空腔進(jìn)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。 電氣控制部分主要采用PLC自動控制，就是先在PLC中輸入預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，處理器主電路與操作面板上的各空駛系統(tǒng)相連接，當(dāng)按下操作面板上的開關(guān)的時(shí)候，信息傳遞到中央處理器，再由中央控制系統(tǒng)分析并發(fā)出指令由支路執(zhí)行并完成動作。 鍍膜機(jī)是集多門學(xué)科的設(shè)備，它集成了當(dāng)今工業(yè)最先進(jìn)的機(jī)電技術(shù)，控制技術(shù)、電氣自動化、IT技術(shù)、制冷技術(shù)，微電路集成系統(tǒng)、高壓控制系統(tǒng)、機(jī)械技術(shù)、加工技術(shù)、光電技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、氣動控制技術(shù)、光電傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、真空技術(shù)、薄膜光學(xué)與鍍膜技術(shù)等等。 可以說鍍膜機(jī)是新興的產(chǎn)業(yè)代表。 到今天，鍍膜機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，制鍍薄膜尤其廣泛，其制作的各種薄膜被應(yīng)用到各光電系統(tǒng)及光學(xué)儀器中，如數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、投影機(jī)、能量控制、光通訊、顯示技術(shù)、干涉儀、人造衛(wèi)星飛彈、半導(dǎo)體激光、微機(jī)電系統(tǒng)、信息工業(yè)、激光的制作、各種濾光片、照明工業(yè)、傳感器、建筑玻璃、汽車工業(yè)、裝飾品、錢幣、眼鏡片等等，鍍膜機(jī)器已經(jīng)與人類的生活緊密聯(lián)系。 以上資料由愛加真空收集整理，轉(zhuǎn)載請注明出處，愛加真空專業(yè)維修各種進(jìn)口真空系統(tǒng)，歡迎來電咨詢。 |
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