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真空機(jī)組抽氣的三個(gè)階段 |
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| 真空機(jī)組抽氣的三個(gè)階段 |
| 發(fā)布時(shí)間：2011-11-26 閱讀：484次 |
沒(méi)有一個(gè)真空系統(tǒng)是不漏氣，不放氣的，即使真的不漏氣，放氣總是存在的，實(shí)際上（3）式反映的是泵在抽除真空室內(nèi)空間氣體的過(guò)程中壓力的變化規(guī)律。當(dāng)壓力較高時(shí)，系統(tǒng)的漏氣量和放氣量相對(duì)空間的氣體量較小時(shí)，其影響可以忽略，可以認(rèn)為近似滿足不漏氣和不放氣的條件，也就是（3）的規(guī)律能近似成立。當(dāng)壓力較低時(shí)，系統(tǒng)的漏氣量和放氣量不可忽略甚至成為主要的氣體負(fù)載時(shí)，（3）的規(guī)律就要發(fā)生偏離，表現(xiàn)在壓力下降變?yōu)榫徛�，一般發(fā)生這一轉(zhuǎn)變的壓力在0.5Pa左右，因此一個(gè)真空系統(tǒng)典型的抽氣過(guò)程先是壓力下降很快，到某一壓力開(kāi)始變慢。由于一個(gè)合格的真空系統(tǒng)對(duì)其漏率有嚴(yán)格的要求，所以放氣是影響系統(tǒng)壓力降低的主要因素，而放氣是一個(gè)緩慢的過(guò)程，即使采用烘烤等強(qiáng)化措施，要達(dá)到某一預(yù)定的壓力，往往要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間。 任何真空系統(tǒng)都希望盡量縮短抽氣的時(shí)間，這關(guān)系到提高效率和降低能耗，但并不是所有的真空應(yīng)用都具有縮短抽氣時(shí)間的條件�？梢园巡煌恼婵諔�(yīng)用分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是不改慮系統(tǒng)內(nèi)的放氣量，而只有真空度的要求；另一類(lèi)是要求真空室內(nèi)充分的放氣，即放氣率要降到某一臨界值。這兩類(lèi)不同的應(yīng)用對(duì)泵配置的要求是不一樣的。對(duì)于前一類(lèi)應(yīng)用，如真空度要求在0.5pa以上，只要時(shí)間常數(shù)足夠的小，便可晝量縮短抽氣的時(shí)間。但如真空度要求在0.5Pa以下，就必須改慮放氣對(duì)壓力變化的影響。放氣量隨時(shí)間的變化緩慢。特別是在無(wú)烘烤的情況下。要在預(yù)定較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的真空度，就必須以較大的抽速抽除較大的放氣量。也就是說(shuō)如放氣量為Q，泵的有效抽速為S0，則可達(dá)到平衡壓力P=Q/S0。如平衡壓力確定，則達(dá)到的時(shí)間越短，要求泵的有效抽速就越大。蒸發(fā)鍍膜就是典型的這類(lèi)的應(yīng)用，由于蒸鍍的速度快，時(shí)間短，所以不考慮放氣量的影響（即活性氣體的影響）。但蒸發(fā)粒子的能量低，要求絕大部分粒子無(wú)碰撞地沉積到工件上，以保證結(jié)合力及減少散射，這就要求真空室內(nèi)的平均自由程不小于蒸發(fā)源到工件的距離，與此相應(yīng)的壓力約在1×10-2Pa，這便是蒸發(fā)鍍膜對(duì)真空度的要求。 如何在盡量短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到這一壓力，就對(duì)泵的有效抽速提出了要求，原則是時(shí)間越短，由于放氣量越大，有效抽速就要求越大。所以蒸發(fā)鍍膜一般配置抽速?gòu)?qiáng)大的油擴(kuò)散泵機(jī)組，功率有數(shù)十千瓦，幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)便可達(dá)到工作真空度，但該系統(tǒng)對(duì)工件造成的油蒸汽污染是難以避免的，特別是塑料金屬化膜層易發(fā)黃。目前渦輪分子泵抽速滿足不了大型蒸發(fā)鍍的需要。而大抽速的低溫泵又是工業(yè)化規(guī)模鍍膜所承受不了的。根據(jù)被抽空間氣體負(fù)載的特性，利用分子增壓泵抽除永久性氣體，結(jié)合低溫冷凝水捕集泵抽除水蒸汽，有望實(shí)現(xiàn)大抽速獲得清潔真空的全新抽氣工藝。真空室內(nèi)壓力在0.5Pa以上時(shí)，主要?dú)怏w成份是永久性氣體，而0.5Pa以下的主要?dú)怏w成份是水蒸汽（90%）。由于分子增壓泵具有超強(qiáng)的中真空抽氣能力，從100Pa到0.5Pa抽氣時(shí)間極短，而在0.1Pa以后啟用低溫冷凝水捕集泵，可在較短時(shí)間內(nèi)使室內(nèi)壓力降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1×10-2Pa。對(duì)于3-5m3的大型蒸發(fā)鍍膜設(shè)備，配置3-4臺(tái)1000升/秒的分子增壓泵和一臺(tái)功率5kw的低溫冷凝水捕集泵便能實(shí)現(xiàn)上述的抽氣工藝，這無(wú)疑具有開(kāi)創(chuàng)性。對(duì)于后一類(lèi)應(yīng)用，由于放氣量變化依賴(lài)于溫度和時(shí)間，而與氣相空間的壓力關(guān)系不大，只要壓力低于現(xiàn)存吸附量所對(duì)應(yīng)的平衡壓力即可，一般在抽氣過(guò)程中均滿足此條件。因此，用強(qiáng)勁的抽速即使在很短的時(shí)間內(nèi)把空間壓力降至很低，依然不能明顯減少真空室內(nèi)的放氣量，而必須配置合適的抽速，在合理的烘烤溫度下，在合理的時(shí)間內(nèi)使放氣量達(dá)到工藝要求的水準(zhǔn)，這一般要?dú)v經(jīng)數(shù)十分鐘的時(shí)間。這類(lèi)應(yīng)用較為典型的有鈦金行業(yè)的濺射鍍膜和離子鍍膜,稀土永磁材料熔煉等。其中，過(guò)量的活性氣體會(huì)影響膜層的品質(zhì)和材料的質(zhì)量，因此工藝中均有一段較長(zhǎng)時(shí)間的精抽過(guò)程。 對(duì)于鍍膜室為1m3左右的濺射或離子鍍膜設(shè)備，一般配置4000升/秒抽速的真空機(jī)組，為了促使真空室和工件更快地放氣，往往烘烤到300℃的溫度。值得強(qiáng)調(diào)的是，在鈦金鍍膜中，泵的抽速大小，泵的特性、抽氣工藝及所需的沉積壓力之間表現(xiàn)出的辯正關(guān)系。在一個(gè)鍍膜周期中，真空機(jī)組的抽氣可以分為三個(gè)階段，即精抽階段，輝光轟擊和濺射沉積階段。精抽的目的是為了減少真空室內(nèi)的放氣量,其結(jié)果主要決定于烘烤溫度和抽氣時(shí)間,與空間壓力關(guān)系不大,特別是壓力在同數(shù)量級(jí)內(nèi)。因此，主泵的抽速在適當(dāng)?shù)牟町悆?nèi)，精抽的效果是一樣的，真空室內(nèi)的放氣率都可降低到相同的水平，盡管所對(duì)應(yīng)的極限真空不同。具體地講1000升/秒分子增壓泵和1500升/秒的渦輪分子泵在這一階段抽氣的效果是相同的。輝光轟擊階段，由于此時(shí)放電壓力在2Pa左右，一般來(lái)講主泵的抽氣能力受到影響，傳統(tǒng)地均采用節(jié)流的方法以犧牲抽速來(lái)?yè)Q取泵的穩(wěn)定工作，擴(kuò)散泵和渦輪分子泵都是如此，尤其是擴(kuò)散泵抽速損失更大，相應(yīng)地放電的氬氣流量也明顯減少。然而這一階段只有大的有效抽速，大的氬氣流量才能獲得更好的轟擊清洗的效果。在這一點(diǎn)上分子增壓泵是有明顯的優(yōu)勢(shì)。在最后的濺射沉積階段典型的工作壓力為0.5Pa，擴(kuò)散泵和渦輪分子泵仍需節(jié)流，且不說(shuō)在該種情況下，沉積的壓力難于穩(wěn)定，減小的抽氣速率勢(shì)必要讓精抽過(guò)程中所達(dá)到的活性氣體（放氣）的分壓明顯地回升。在放氣量一定的情況下，活性氣體的分壓高低決定了對(duì)沉積膜層質(zhì)量的影響。能以滿抽速穩(wěn)定抽氣的分子增壓泵，在此又一次顯示了它的優(yōu)越性。
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