低溫冷凝泵在蒸發鍍膜機中的應用

葉明

真空鍍膜是在處于真空狀態下的基片上制取膜層的一種方法。一般真空鍍膜有一下幾種方法：1.蒸發鍍膜；2.濺射鍍膜；3.化學沉積鍍膜。蒸發鍍膜就是在把鍍膜材料通過各種方法（電子槍，激光束等）加熱使鍍膜材料在真空環境下蒸發，吸附到基片上制取膜層的一種方法。

濺射鍍膜是在真空中用高速的惰性氣體離子從靶表面上轟擊出原子（分子）沉積到基片上的制取膜層的一種方法。

化學沉積鍍膜是在一定化學配比的反應氣體，在特定激活條件下通過氣相化學反應生成新的膜層材料沉積到基片上的制取膜層的一種方法。

我們今天講的是蒸發鍍膜，鍍膜腔體必須在真空下才能進行。真空又分為幾個級別：

低真空級別：10^5～10^2Pa （760～1） Torr

中真空級別：10^2～10^-1Pa （1～10^-3） Torr

高真空級別：10^-1～10^-5Pa （10^-3～10^-7） Torr

超高真空級別：<10^-5 Pa （<10^-7） Torr

蒸發鍍膜的要求要達到高真空的級別，為了達到高真空，設備必須配置真空泵，不同種類的真空泵對真空級別及運行條件都有要求；

所以要達到高真空要求，高真空泵有幾種選擇：油擴散泵，渦輪分子泵，低溫泵。

為了達到高真空泵啟動壓強的要求，還必須配置粗真空泵：活塞式真空泵，旋片式真空泵，羅茨真空泵。

為了提高工作效率，我們設備粗真空泵配置的是羅茨真空泵。我下面主要介紹的是高真空泵的特點：

1.油擴散泵

2.渦輪分子泵

3.低溫泵

從上面可以了解每種高真空泵的特性，都可以使用。但油擴散泵使用時間長了以后，油有可能進入到鍍膜主腔體，從而影響產品品質，所以如果對膜層牢固度等要求高的，一般不選用油擴散泵。分子泵沒有油，所以不必擔心油污染。但分子泵在高真空時抽速慢，而且對鍍膜主腔體內的水汽無法處理，一般膜層的應力比較大，對牢固度也有一定的影響。所以如果一定要用分子泵時，一般會加裝一套低溫冷井來配合使用，這樣加裝冷井后對抽速也會有改善。前面二種泵由于是前吸后吐的，所以在使用時羅茨泵必須全時間開啟。冷泵是一種利用極低溫度（-260°C）捕捉氣體分子。使氣體分子從氣態直接變成固態，體積急劇縮小，從而獲得真空。由于是利用低溫來獲得真空，鍍膜主腔體內可以得到潔凈及相對干燥的環境，可以鍍出優質膜層。我們的設備就是采用羅茨泵+低溫泵來獲得設備生產所需要的高真空的。

下面我們利用冷泵的結構圖來了解冷泵對各種氣體的冷凝位置的了解。

80K組件：工作溫度-190°C，所以在抽真空時只凝結主鍍膜腔體內的水汽。

15K組件：這個組件是有金屬背面粘結高效活性炭組成。工作溫度在-260°C～-250°C之間，在這個溫度下除了氫氣，氦氣，氖氣外都凝結成冰。

我們從冷泵的結構圖可以發現冷泵在面對腔體的部分沒有任何運動部件，冷泵是靠冷來抽真空的，即使有鍍膜殘渣或其它東西不小心掉落到冷泵里也不會影響使用，而且水汽含量低，可以得到潔凈的真空，所以現在在鍍膜行業得到普遍應用。

下面主要介紹下使用低溫泵的真鍍設備的常見故障的判斷及故障排除：

低溫泵是冷凝氣體獲得真空的，在使用過程中不斷有氣體被冷凝或吸附，當達到一定量時，低溫泵需要釋放被冷凝或吸附的氣體，這個過程我們稱之為再生。低溫泵再生分為：升溫吹氣‐粗抽到底壓‐檢漏‐降溫四個價段。一般再生出現問題主要在檢漏這個階段，主要原因是在升溫吹起氣過程中，氣體排出低溫泵時可能會有雜質粘在低溫泵的排氣閥的密封圈上或者HV（高閥）也有雜質粘在HV閥的密封圈上。所以一旦發現檢漏過不了，就停止再生，用無塵布蘸酒精擦拭密封圈。我們怎么判斷到底是哪個密封圈出現問題呢，首先我們在上面鍍膜腔體在一個大氣壓下，用機械泵（MP）抽低溫泵的真空到5e-2Torr，關閉粗抽閥（FV），測試低溫泵內真空漏率，多做幾次漏率測試，得到低溫泵在上面腔體在一個大氣壓下的漏率值，然后再用機械泵（MP）把鍍膜腔體抽到e-2Torr，再給低溫泵做漏率測試，比較腔體在不同壓力下低溫泵的漏率來判斷是否高閥（HV）的密封圈出現問題，如果低溫泵的二組漏率差不多，那么冷泵排氣閥密封圈漏氣的可能性比較大。檢漏沒問題，不等于不漏我們還要在低溫泵降溫過程中時刻注意低溫泵內的真空度的變化，正常情況下，當低溫泵的溫度低于260K時，低溫泵內的真空數值有下降趨勢，因為低溫泵內的水汽這這個溫度下會結冰，體積縮小，真空越來越好。所以如果當低溫泵溫度低于250K，而低溫泵內的真空數值還沒有下降趨勢的話，說明低溫泵還存在一定的微漏，還是要處理完微漏低溫泵才能再生，這樣才能保證真空達到鍍膜要求及使用時間的要求。

低溫泵是有一定的使用壽命的，一般2年左右做一次維護，下面我來說一下如何判斷低溫泵是否要做維護。有于低溫泵是用低溫來獲得真空的，所以最直觀的判斷是看低溫泵的溫度。我們的設備提供了低溫泵溫度的保護，當低溫泵溫度上升到20K時，設備就會自動關閉高閥（HV），限制繼續做工藝，所以一般當低溫泵在做工藝時，當看到低溫泵溫度到達18～19K時，就要知道低溫泵盡快做一次保養了。這是從低溫泵的溫度判斷低溫泵是否要做保養了。另外，我們還可以從低溫泵本身的特性也可以判斷低溫泵是否做保養。我們可以從低溫泵的制冷效率更能準確判斷，低溫泵降溫需要一定的時間，一般我們的低溫泵降溫時間是150分鐘以內，所以我們最好能記錄低溫泵再生時降溫的時間，如果降溫時間超過180分鐘以上，就時刻注意低溫泵的溫度，及時做好隨時保養的準備。另外一個標準就是看壓縮機在低溫泵正常工作時的動態壓的變化，一般先記錄冷泵狀態良好時的壓縮機的動態壓力，一般，根據這幾年的經驗，當低溫泵性能達不到使用要求時，壓縮機的動態壓力會偏高，而且擺動幅度會相應縮小。比如說，剛維護好的低溫泵在正常工作時壓縮機的壓力是80～100Psi之間擺動，但當低溫泵要維護時，壓縮機的動態壓力一般在110～115Psi之間擺動。所以經常觀察壓縮機的動態壓力變化，也能大致判斷低溫泵的性能。

（作者單位：株洲中車時代電氣股份有限公司 半導體事業部）endprint