真空鍍膜設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)
發(fā)布日期:2022-04-13
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(dòng)作。
排氣系統(tǒng)為真空鍍膜設(shè)備真空系統(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(jí)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(duì)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(dòng)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(duì)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(rùn)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(jí)泵可以將容器從大氣抽到1.0*10-1PA的極限真空,雙級(jí)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(zhǎng)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(huì)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(huì)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(duì)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(jí)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(rùn)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(huì)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:真空鍍膜設(shè)備的機(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(jiǎn)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(hào)是D-704#),根據(jù)噴嘴的多少可以分為單級(jí)泵和多級(jí)泵。
擴(kuò)散泵底部?jī)?nèi)儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)的動(dòng)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(zhǎng)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?zèng)Q定于第一級(jí)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(duì)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(jí)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。
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(duì)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真空鍍膜設(shè)備的 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(duì)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(cè)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(duì)真空計(jì)和相對(duì)真空計(jì),絕對(duì)真空計(jì)可以直接測(cè)量壓強(qiáng)的高低,相對(duì)真空計(jì)只能間接測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量熱絲電阻值的大小來間接測(cè)量壓強(qiáng),有以下關(guān)系:
這就是電阻真空計(jì)的工作原理,此真空計(jì)的測(cè)量范圍是:100-10-1帕之間,目前采用的型號(hào)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(dòng)時(shí),在正交電磁場(chǎng)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(duì)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(zhǎng),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(hào)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(zhǎng)。
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(zhǎng)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(jiǎn)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(duì)燈絲加一強(qiáng)電流,高電壓,由于燈絲的材料是鎢,所以它會(huì)發(fā)熱,到最后會(huì)發(fā)射電子,再采用一定的磁場(chǎng)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(dòng),然后遇到基板,就凝結(jié)下來,經(jīng)過這種方式生長(zhǎng),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(dòng)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(duì)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(chǎng),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(jiǎn)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。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(zhǎng)的過程中,由于干涉現(xiàn)象會(huì)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(huì)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(zhǎng)(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(zhǎng)處。
定值監(jiān)控法:此方法利用停鍍點(diǎn)不在監(jiān)控波長(zhǎng)四分之一波位,然后由計(jì)算機(jī)計(jì)算在波長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(duì)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(dòng)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(dòng),光電感應(yīng)計(jì)數(shù)的方法,遮藥板采用氣動(dòng)開關(guān)方式轉(zhuǎn)動(dòng)。
為了加快抽氣速率,達(dá)到一定的真空度,還需要對(duì)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(dòng)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(dòng)作。