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真空鍍膜機的結構與應用

真空鍍膜機的結構與應用

分類:
新聞資訊
2018/03/29 14:05
【摘要】:
【內容摘要】:本文介紹了真空的由來及制造真空的設備——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、冷凝泵、真空測量系統、鍍膜監控系統及各自的工作原理。鍍膜機器作為一種集多學科的工作設備對人類的貢獻。【關鍵詞】:鍍膜機,真空技術,泵?科學技術飛躍的今天,光電技術的發展與應用已經深入到各行各業,但是其制備的必須設備——真

真空鍍膜機的結構與應用

【內容摘要】:本文介紹了真空的由來及制造真空的設備——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、冷凝泵、真空測量系統、鍍膜監控系統及各自的工作原理。

鍍膜機器作為一種集多學科的工作設備對人類的貢獻。

【關鍵詞】:鍍膜機,真空技術,泵

 科學技術飛躍的今天,光電技術的發展與應用已經深入到各行各業,但是其制備的必須設備——真空鍍膜機器,由最初的復雜化、手動化和只能被應用到軍事科研領域,發展到現在的簡單化,集成化,智能化,并且被廣泛推行及民用,價格也由之前的幾千萬一臺降到現在的幾百萬就可以買到。光電技術的發展必然以真空技術為基礎。

    文章主要論述真空鍍膜機器的組成結構及各部件的工作原理,和保養常識,鍍膜機是集多門學科一體的精密儀器,尤其在機電技術的應用方面,甚為廣泛,所以,機電一體化技術是真空技術的基礎。鍍膜設備的進步與發展也充分體現了機電技術的價值。

 “真空”一詞來自希臘語,原本是虛無的意思,人類對真空的研究和應用由來已久,對它并不陌生。到今天,真空技術作為一門應用科學,與人類的生活已經密不可分。

    最初人們為了獲得真空,做了大量試驗,比如最著名的“馬德堡半球試驗”,人類還發明了抽氣泵,用來對密閉的容器進行抽氣,以求獲得真空,隨著人類對真空技術的研究與不斷探索,同事也發明了測量真空的諸多方式,時至今日,真空技術已經廣泛應用于工業,軍事,農業,科研、半導體、顯示技術等,真空技術的發展與應用,大大促進了生產力的發展。

    現在,人類已經能通過特制的容器獲得超高真空,同時,制作了各種儀表測量真空度,不僅如此,還制作各種設備,比如:真空鍍膜機器,就是應用最廣泛的儀器。

鍍膜機按照其應用領域的不同可以分為電子槍熱蒸發鍍膜機、磁控濺射鍍膜機、等離子鍍膜機、射頻鍍膜機等,但是他們的結構都一樣,以光學鍍膜機為例,主要有三大部分組成:真空主體——真空腔,輔助排氣系統(包括排氣系統、真空測量系統)、蒸發系統(包括坩堝及回轉控制系統、電子槍柜)、成膜控制系統。

  由真空室、真空機組、電氣控制柜三大部分組成,排氣系統采用“擴散泵+機械泵+羅茨泵+低溫冷阱+polycold”組成,后面還將再介紹一種配備方式“高真空冷凝泵+低真空機械泵”所組成的無油真空系統。

   下面本人詳細介紹各部分的組成及工作原理。

 

一、真空主體——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、輔助抽氣系統 

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(此主要應用于大型設備)、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。

    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,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。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。

    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。

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,最后關冷卻水。

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。

    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,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。

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(又叫皮喇尼真空計):

 

 

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,有以下關系:

略  

這就是電阻真空計的工作原理,此真空計的測量范圍是:100-10-1帕之間,目前采用的型號是WP-02

磁控放電真空計:

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)。

目前比較多的型號有PKR251、GI-PARY

放電管真空計:在玻璃管中封入兩個金屬電極,在其上加上數千伏的直流高電壓,在一定的壓強范圍內(1*10-3~2*10托)內就能引起自持放電,通過放電顏色來判定其真空度

  目前為止此種真空計已經很少使用,因為其誤差大,容易損壞,而且壽命不長。

 

三、蒸發系統

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,鄙人就電阻加熱和電子槍蒸發兩種方式作介紹,因為此兩種方式我應用的比較多。

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),藥材的分子(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。

 

四、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:

水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。

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,對于有些在鍍膜過程中需要充入氣體的還有流量控制計或者壓力控制計,這些需要采用精密的閥門和光電傳感系統來控制。

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,遮藥板采用氣動開關方式轉動。

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。

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。

一臺進口鍍膜機造價通常達到300~1000萬人民幣,國產設備目前的造價也在100萬左右,進口設備已經完全自動化,整個生產過程都由計算機自動完成,其先進程度絕對優于世界上任何自動化作業模式,由于國內的真空技術起步較晚,加上技術有限,故到目前為止還采用人工操作模式,有些廠商有借鑒進口設備的運作模式,可以達到半自動化作業模式,比如:成都的南光鍍膜機器、廣東的騰勝鍍膜機、臺灣的龍翩鍍膜機、北儀真空、沈陽真空等在業界皆有名次

 

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