低温冷凝泵在蒸发镀膜机中的应用

叶明

真空镀膜是在处于真空状态下的基片上制取膜层的一种方法。一般真空镀膜有一下几种方法：1.蒸发镀膜；2.溅射镀膜；3.化学沉积镀膜。蒸发镀膜就是在把镀膜材料通过各种方法（电子枪，激光束等）加热使镀膜材料在真空环境下蒸发，吸附到基片上制取膜层的一种方法。

溅射镀膜是在真空中用高速的惰性气体离子从靶表面上轰击出原子（分子）沉积到基片上的制取膜层的一种方法。

化学沉积镀膜是在一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上的制取膜层的一种方法。

我们今天讲的是蒸发镀膜，镀膜腔体必须在真空下才能进行。真空又分为几个级别：

低真空级别：10^5～10^2Pa （760～1） Torr

中真空级别：10^2～10^-1Pa （1～10^-3） Torr

高真空级别：10^-1～10^-5Pa （10^-3～10^-7） Torr

超高真空级别：<10^-5 Pa （<10^-7） Torr

蒸发镀膜的要求要达到高真空的级别，为了达到高真空，设备必须配置真空泵，不同种类的真空泵对真空级别及运行条件都有要求；

所以要达到高真空要求，高真空泵有几种选择：油扩散泵，涡轮分子泵，低温泵。

为了达到高真空泵启动压强的要求，还必须配置粗真空泵：活塞式真空泵，旋片式真空泵，罗茨真空泵。

为了提高工作效率，我们设备粗真空泵配置的是罗茨真空泵。我下面主要介绍的是高真空泵的特点：

1.油扩散泵

2.涡轮分子泵

3.低温泵

从上面可以了解每种高真空泵的特性，都可以使用。但油扩散泵使用时间长了以后，油有可能进入到镀膜主腔体，从而影响产品品质，所以如果对膜层牢固度等要求高的，一般不选用油扩散泵。分子泵没有油，所以不必担心油污染。但分子泵在高真空时抽速慢，而且对镀膜主腔体内的水汽无法处理，一般膜层的应力比较大，对牢固度也有一定的影响。所以如果一定要用分子泵时，一般会加装一套低温冷井来配合使用，这样加装冷井后对抽速也会有改善。前面二种泵由于是前吸后吐的，所以在使用时罗茨泵必须全时间开启。冷泵是一种利用极低温度（-260°C）捕捉气体分子。使气体分子从气态直接变成固态，体积急剧缩小，从而获得真空。由于是利用低温来获得真空，镀膜主腔体内可以得到洁净及相对干燥的环境，可以镀出优质膜层。我们的设备就是采用罗茨泵+低温泵来获得设备生产所需要的高真空的。

下面我们利用冷泵的结构图来了解冷泵对各种气体的冷凝位置的了解。

80K组件：工作温度-190°C，所以在抽真空时只凝结主镀膜腔体内的水汽。

15K组件：这个组件是有金属背面粘结高效活性炭组成。工作温度在-260°C～-250°C之间，在这个温度下除了氢气，氦气，氖气外都凝结成冰。

我们从冷泵的結构图可以发现冷泵在面对腔体的部分没有任何运动部件，冷泵是靠冷来抽真空的，即使有镀膜残渣或其它东西不小心掉落到冷泵里也不会影响使用，而且水汽含量低，可以得到洁净的真空，所以现在在镀膜行业得到普遍应用。

下面主要介绍下使用低温泵的真镀设备的常见故障的判断及故障排除：

低温泵是冷凝气体获得真空的，在使用过程中不断有气体被冷凝或吸附，当达到一定量时，低温泵需要释放被冷凝或吸附的气体，这个过程我们称之为再生。低温泵再生分为：升温吹气‐粗抽到底压‐检漏‐降温四个价段。一般再生出现问题主要在检漏这个阶段，主要原因是在升温吹起气过程中，气体排出低温泵时可能会有杂质粘在低温泵的排气阀的密封圈上或者HV（高阀）也有杂质粘在HV阀的密封圈上。所以一旦发现检漏过不了，就停止再生，用无尘布蘸酒精擦拭密封圈。我们怎么判断到底是哪个密封圈出现问题呢，首先我们在上面镀膜腔体在一个大气压下，用机械泵（MP）抽低温泵的真空到5e-2Torr，关闭粗抽阀（FV），测试低温泵内真空漏率，多做几次漏率测试，得到低温泵在上面腔体在一个大气压下的漏率值，然后再用机械泵（MP）把镀膜腔体抽到e-2Torr，再给低温泵做漏率测试，比较腔体在不同压力下低温泵的漏率来判断是否高阀（HV）的密封圈出现问题，如果低温泵的二组漏率差不多，那么冷泵排气阀密封圈漏气的可能性比较大。检漏没问题，不等于不漏我们还要在低温泵降温过程中时刻注意低温泵内的真空度的变化，正常情况下，当低温泵的温度低于260K时，低温泵内的真空数值有下降趋势，因为低温泵内的水汽这这个温度下会结冰，体积缩小，真空越来越好。所以如果当低温泵温度低于250K，而低温泵内的真空数值还没有下降趋势的话，说明低温泵还存在一定的微漏，还是要处理完微漏低温泵才能再生，這样才能保证真空达到镀膜要求及使用时间的要求。

低温泵是有一定的使用寿命的，一般2年左右做一次维护，下面我来说一下如何判断低温泵是否要做维护。有于低温泵是用低温来获得真空的，所以最直观的判断是看低温泵的温度。我们的设备提供了低温泵温度的保护，当低温泵温度上升到20K时，设备就会自动关闭高阀（HV），限制继续做工艺，所以一般当低温泵在做工艺时，当看到低温泵温度到达18～19K时，就要知道低温泵尽快做一次保养了。这是从低温泵的温度判断低温泵是否要做保养了。另外，我们还可以从低温泵本身的特性也可以判断低温泵是否做保养。我们可以从低温泵的制冷效率更能准确判断，低温泵降温需要一定的时间，一般我们的低温泵降温时间是150分钟以内，所以我们最好能记录低温泵再生时降温的时间，如果降温时间超过180分钟以上，就时刻注意低温泵的温度，及时做好随时保养的准备。另外一个标准就是看压缩机在低温泵正常工作时的动态压的变化，一般先记录冷泵状态良好时的压缩机的动态压力，一般，根据这几年的经验，当低温泵性能达不到使用要求时，压缩机的动态压力会偏高，而且摆动幅度会相应缩小。比如说，刚维护好的低温泵在正常工作时压缩机的压力是80～100Psi之间摆动，但当低温泵要维护时，压缩机的动态压力一般在110～115Psi之间摆动。所以经常观察压缩机的动态压力变化，也能大致判断低温泵的性能。

（作者单位：株洲中车时代电气股份有限公司 半导体事业部）endprint