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　　一、真空主體——真空腔

　　根據加工產(chǎn)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(shí)等，真空腔各部分有連接閥，用來(lái)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(tài)，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(shí)候，機械泵又配合油擴散泵組成串聯(lián)，以這樣的方式完成抽氣動(dòng)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(lái)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(lèi)型。

　　機械泵常常被用來(lái)抽除干燥的空氣，但不能抽除含氧量過(guò)高、有爆炸性和腐蝕性的氣體，機械泵一般被用來(lái)抽除永久性的氣體，但是對水氣沒(méi)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(gè)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(gè)彈片交替起著(zhù)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。轉子每旋轉一周，泵完成兩次吸氣和兩次排氣。

　　當泵連續順時(shí)針轉動(dòng)時(shí)，旋片泵不斷的通過(guò)進(jìn)氣口吸入氣體，又從排氣口不斷的排出泵外，實(shí)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(jīng)常保持足夠的油，把空隙填滿(mǎn)，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(guò)各種渠道反流到壓強低的空間去。

　　機械泵是從大氣開(kāi)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(shí)，單位時(shí)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(shí)空腔截面積，L表示空腔長(cháng)度，系數表示轉子每旋轉一周有兩次排氣過(guò)程，Vs表示當轉子處于水平位置的時(shí)候，吸氣結束，此時(shí)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(guān)系，當電機的皮帶比較松，電機轉速很慢的時(shí)候，機械泵的排氣效果也會(huì )變差，所以要經(jīng)常保養，點(diǎn)檢，機械泵油的密封效果也需要常常點(diǎn)檢，油過(guò)少，達不到密封效果，泵內會(huì )漏氣，油過(guò)多，把吸氣孔堵塞，無(wú)法吸氣和排氣，一般，在油位在線(xiàn)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(fēng)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(diǎn)，此泵不能從大氣開(kāi)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，其余的則需要機械泵來(lái)完成，因此，它必須配以機械泵作為前級泵。

　　機械泵在使用過(guò)程中，必須注意以下問(wèn)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(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(shuō)明書(shū)接好電線(xiàn)。

　　5、機械泵停止工作前要先關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)，再停電并開(kāi)放氣閥，將大氣通過(guò)進(jìn)氣口放入泵中。

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

　　7、要不定期檢點(diǎn)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(shí)候，實(shí)際抽速只有理論的1/10，如果要獲得高真空的話(huà)，必須采用油擴散泵。

　　由于油擴散泵是最早用來(lái)獲得高真空的泵，其由于造價(jià)便宜，維護方便，使用廣泛，所以本文將重點(diǎn)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(lái)排氣的，它具有結構簡(jiǎn)單，操作方便，抽速大(最高可以達到10+5升/秒)等特點(diǎn)。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?jì)葍Υ嬗袛U散泵油，上部為進(jìn)氣口，右側旁下部為出氣口，在工作時(shí)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(shí)，產(chǎn)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(shí)，產(chǎn)生的油蒸汽沿著(zhù)導流管經(jīng)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(gè)向出氣口方向運動(dòng)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(fā)器，即靠油的蒸發(fā)——噴射——凝結，重復循環(huán)來(lái)實(shí)現抽氣的。

　　由進(jìn)氣口進(jìn)入泵內的氣體分子，一旦落入蒸汽流中，便獲得向下運動(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(cháng)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(gè)濃度差被抽氣體能不斷的越過(guò)界面，擴散進(jìn)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(xué)特性要好。

　　擴散泵不能單獨用來(lái)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(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(zhù)進(jìn)氣口的壓強而變化的，當壓強在10-2～10-3帕的時(shí)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(méi)有抽氣能力(此時(shí)，進(jìn)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(guān)閉前級抽氣，最后關(guān)冷卻水。

　　由于油擴散泵是無(wú)法杜絕有返油的幾率，那么沒(méi)有辦法保證精密產(chǎn)品的100%純凈，特別是半導體行業(yè)，所以就有“高真空冷凝泵+低真空機械泵”所組成的無(wú)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(chǎn)品的質(zhì)量(避免產(chǎn)品被污染、增強膜層與基板之間的附著(zhù)力)，但是其維護成本非常的高，造價(jià)昂貴，所以普及率沒(méi)有油擴散泵廣泛。

　　本人在工作過(guò)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(lái)凝聚氣體分子以實(shí)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(huán)氦氣來(lái)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(jìn)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(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，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(guān)系，經(jīng)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(guān)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(diǎn)介紹鍍膜機器上面常用到的以下幾個(gè)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(kāi)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(xiàn)與測量線(xiàn)路連接。

　　當壓強降低的時(shí)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(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(lái)間接測量壓強，有以下關(guān)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(kāi)始時(shí)，由于空間游離電子向陽(yáng)極運動(dòng)時(shí)，在正交電磁場(chǎng)作用下，電子的軌跡不是直線(xiàn)而是螺旋線(xiàn)前進(jìn)，又因為陽(yáng)極是框形，故電子不一定第一次就碰上陽(yáng)極，而是穿過(guò)陽(yáng)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(yáng)極。由于電子路程大大加長(cháng)，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(chēng)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(gè)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(guò)放電顏色來(lái)判定其真空度

　　目前為止此種真空計已經(jīng)很少使用，因為其誤差大，容易損壞，而且壽命不長(cháng)。

　　三、蒸發(fā)系統

　　蒸發(fā)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(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，因為此兩種方式我應用的比較多。

　　電阻蒸發(fā)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(fā)方式，也是應用時(shí)間最長(cháng)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(guò)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，再熱傳導給鍍膜材料，當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，結構簡(jiǎn)單，成本低廉，故被很多設備應用，但是其蒸發(fā)出來(lái)的薄膜由于致密性不佳，加上很多材料無(wú)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(méi)有辦法進(jìn)行。

　　電子槍蒸發(fā)是到目前為止應用最多的一種蒸發(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(zhuān)門(mén)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(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(xiàn)運動(dòng)，然后遇到基板，就凝結下來(lái)，經(jīng)過(guò)這種方式生長(cháng)，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(fā)的最大優(yōu)點(diǎn)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(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。機械強度好。

　　濺射方式是用高速正離子轟擊靶材表面，通過(guò)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(zhù)性強，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(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(shí)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(cháng)的過(guò)程中，由于干涉現象會(huì )有顏色變化，我們就是根據顏色變化來(lái)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(jīng)驗。

　　定值(極值)監控：主要是采用反射式(透過(guò)式)光學(xué)監控。極值監控法：當膜厚度增加的時(shí)候其反射率和穿透率會(huì )跟著(zhù)起變化，當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是監控波長(cháng)(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(guò)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(cháng)處。

　　定值監控法：此方法利用停鍍點(diǎn)不在監控波長(cháng)四分之一波位，然后由計算機計算在波長(cháng)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。但是石英監控有一個(gè)不好之處就是當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(xiàn)性關(guān)系，此時(shí)必須使用新的石英振蕩片。

　　幾種監控方法各有優(yōu)劣，但通常鍍多層膜，會(huì )以光學(xué)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(guò)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(mén)和光電傳感系統來(lái)控制。

　　在鍍膜過(guò)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(dòng)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(dòng)，光電感應計數的方法，遮藥板采用氣動(dòng)開(kāi)關(guān)方式轉動(dòng)。

　　為了加快抽氣速率，達到一定的真空度，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(dòng)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(kāi)關(guān)的時(shí)候，信息傳遞到中央處理器，再由中央控制系統分析并發(fā)出指令由支路執行并完成動(dòng)作。

　　鍍膜機是集多門(mén)學(xué)科的設備，它集成了當今工業(yè)最先進(jìn)的機電技術(shù)，控制技術(shù)、電氣自動(dòng)化、IT技術(shù)、制冷技術(shù)，微電路集成系統、高壓控制系統、機械技術(shù)、加工技術(shù)、光電技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、氣動(dòng)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(shuō)鍍膜機是新興的產(chǎn)業(yè)代表。

　　到今天，鍍膜機已經(jīng)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(xué)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(shù)、干涉儀、人造衛星飛彈、半導體激光、微機電系統、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(chē)工業(yè)、裝飾品、錢(qián)幣、眼鏡片等等，鍍膜機器已經(jīng)與人類(lèi)的生活緊密聯(lián)系。

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