分子增压泵是一种新型的高真空泵它最大的优点清洁

1、分子增压泵在真空技术中的应用龚建华 储继国分子增压泵是一种新型的高真空泵，它最大的优点是清洁、节能，中真空具有超强的抽气能力。首先了解一下该泵为什么会具有以上的优点。清洁真空。各种类型的真空泵由于工作机理和结构的不同所获得的真空质量是不一样的，可以分为无油真空，清洁真空和普通真空。无油真空即无任何油蒸汽污染的真空，是真空质量的最高境界，低温泵、离子泵以及各类干式泵可以实现无油真空。清洁真空不是绝对无油，而是真空中的油蒸汽分压可以降到极低的水平，从而使真空质量得到很大的提升。涡轮分子泵以及某些泵配合使用低温冷阱，可以实现清洁真空。而普通真空则含有较高的油蒸汽分压。油蒸汽作为高分子的碳水化合物，是

2、一种主要的污染源。各种传统机械类型的真空泵以及以高速定向油蒸汽流抽气的真空泵，在获取真空的同时，不可避免地会产生油蒸汽对真空的污染。而不同的真空应用对真空的质量是有不同的要求的。各种类型的真空泵在抽除气体的同时，往往伴随着发生一些其他的过程，油蒸汽的返流即是一种，所谓返流就是油蒸汽分子沿着与抽气方向相反的方向逆向扩散运动，其后果造成了真空的油污染。低温泵、离子泵、干式泵等因无油污染源，所以也无油蒸汽的返流，故能获得无油真空。各类机械原理的传统真空泵，在抽气通道中存在用于润滑、密封等作用的泵油，所以会由于油蒸汽的扩散运动而造成显著的污染。高速定向的油蒸汽射流具有明显的方向性，但这仅是气体动力学决

3、定的宏观运动，而作为组成射流的一个个油蒸汽分子还存在一种本质的无规的热运动，两种运动的叠加可使油分子折向真空一方而造成返流，当然还有其他原因。涡轮分子泵是一种高速旋转的机械类型的真空泵，其高速转动的轴承需用油润滑，故存在油污染源，但该位置处于整个抽气通道的前方，低真空一侧，而其与泵的进气口即高真空一侧之间，由于高速旋转的涡轮叶片组合存在巨大的压缩比，这一压缩比是随气体分子的质量而成指数增加的。因为油分子是高分子，比一般的气体分子具有更大的分子量，故而涡轮分子泵能对它产生比其他分子更大的压缩比，这一态势使得油分子返流明显地减弱，表现在被抽空间中的油蒸汽分压大大降低，从而实现所谓的清洁真空，当然这

4、是在泵的工作状态下。分子增压泵虽然工作机理与涡轮分子泵不一样，但同样具有极高的压缩比，其大小与分子的质量亦成指数关系，所以同样可以实现清洁真空。从某种意义上讲，分子增压泵比涡轮分子泵具有更高的压缩比。通过质谱分析对比，涡轮分子泵谱图上可以发现44质量数的CO2峰，而分子增压泵谱图 28（N2峰）以后就不存在可以观察到的谱峰。图1分子/增压泵的残气质谱图（中科院近代物理研究所提供）分子增压泵的抽气机理是基于全拖动的原理。气体分子在与其他分子或物体碰撞时，可以发生动量交换，若气体分子能始终获得定向动量，便能实现抽气作用。当气体分子与高速定向运动的蒸汽流碰撞时，气体分子是与单个油蒸汽分子之间发生动量

5、交换。而气体分子与高速运动的物体发生碰撞时，则是气体分子与刚性表面之间发生动量交换。分子增压泵就是属于后者。该泵的抽气单元为圆盘上分割出的从边缘指向中心的螺旋通道，吸气级具有两个平行的拖动面，而压缩级仅有一个拖动面，且压缩级是由多个拖动面串接而成，气体沿着螺旋通道依次由中心流向外缘，再由外缘流向中心，多级迂回后最终流向排气口。高速旋转的圆盘平面传递给碰撞其上的气体分子的动量应沿着切线方向，由于分割出的螺旋通道与半径方向有一夹角，故气体分子所获得的切向动量沿着螺旋通道方向有一分量，该分量迫使气体分子沿着通道从圆盘的外缘向中心运动（压缩），同样改变螺旋方向，也能迫使气体分子从中心向外缘运动（压缩）

6、。正是多级的压缩通道串接起来，使得分子增压泵可以形成巨大的压缩比（对N2而言可达108）。这样巨大的压缩比可以保证处于泵的前级部分润滑装置产生的油蒸汽难于返流至高真空一侧，这就是分子增压泵能够获得清洁真空的关键所在。作为完整的真空机组，分子增压泵只需一级前级低真空泵即可组成高真空机组。对于机组，分子增压泵不仅能抑制自身的返流，其压缩比还能有效的抑制前级泵的返油，而对于罗茨泵机组便做不到这一点。由于罗茨泵压缩比很低（约几十），所以除自身的返油外，该机组系统的返油中还包含了前级泵的油蒸汽。除了以上所述，结合抽气工艺，由分子增压泵的抽气特性可在诸多应用场合实现清洁真空，在后面涉及的该泵的应用中会进一

7、步讨论。节能。真空泵在工作过程中要产生能耗，这能耗主要来自两方面的原因。对于机械类的泵来讲，泵的组件在运行过程中会产生摩擦损耗，在抽气的过程中需要对气体压缩做功。而对于靠蒸汽流工作的泵而言，除了蒸汽流在抽气过程中压缩气体需要做功外，在油从液态形成蒸汽的过程中还需要消耗大量的热能。工作在低真空的传统机械类泵，由于摩擦阻力较大，压缩气体的压力较高，故消耗的能量较大，不同种类、不同型号的泵能量消耗与其抽气能力的当量关系基本相同。而同种类型的真空泵由于制造工艺水平的差异，其能耗可能会有不同，但应都在同一数量级内。分子增压泵虽然属于机械类泵，但由于工作转速极高，其运动部件的平衡精度也非常高，所以工作时摩

8、擦力极小，该泵从工作状态下断电，其自然停机过程需要2小时以上，足以说明这一点。分子增压泵和油蒸汽射流泵抽气原理虽然都是通过动量传递，但从动量传递效率而言，前者远远大于后者，这可从两方面来理解。其一，即使蒸汽射流和拖动圆盘具有相同的宏观速度，但前者是气态，后者是固态，两者密度相差甚大，蒸汽射流的浓度仅相当几十托的压力。故运动的圆盘比运动的蒸汽具有大得多的动量，并且气体分子在与圆盘刚体相碰中获得的动量应比气体分子在与单个蒸汽分子碰撞中获得的动量要大得多。其二，蒸汽射流要获得所需的动量（或能量），是基于气体动力学的方法消耗大量热能来实现的，而刚性的拖动圆盘要获得所需的转速（即动量），是通过机械驱动来

9、实现的，由于泵的平衡精度高，只需少量的机械能便可。例如：抽速1000L/s的泵，对于油扩散泵，所需功率约2000W，而对于分子增压泵还不到200W，这是数量级的差别。从以上分析可以看出，分子增压泵是一种极低能耗的真空泵，下面例举的应用实例中更能生动地说明这一点。曾将抽速600L/s的分子增压泵应用于稀土永磁材料的熔炼炉上，原设备主泵是2300L/s的油增压泵，使用分子增压泵，抽气时间从40分钟缩短至18分钟。特别是材料在预熔过程中大量的放气，必须数次停止加热，否则油增压泵不能正常工作，而分子增压泵排气流量大，能及时抽除释放的大量气体，可持续加热。从能耗上看，油增压泵9KW，分子增压泵却不到0.

10、2KW。与涡轮分子泵相比，分子增压泵的能耗也低于前者，由于涡轮分子泵也是低能耗泵，所以节能的意义不大。但作为高真空机组，涡轮分子泵一般需要3级机组，而分子增压泵只需要两级机组，因此还是有明显的节能效果。这完全是因为分子增压泵的抽气特性所决定的。对于分子增压泵的能耗低于涡轮分子泵可以从以下两点受到启发，一是涡轮分子泵转动方向和抽气方向是相互垂直的，而分子增压泵转动方向和抽气方向基本一致，因此能量的利用效率高。二是涡轮分子泵的叶轮的叶片是有一定角度的，就像风扇一样，所以旋转起来会产生阻力，而分子增压泵的拖动圆盘是一平面，相比之下旋转时几乎不产生阻力。中真空的抽气能力超强。所谓中真空是指10帕至0.

11、1帕的压力范围，而分子增压泵的抽气能力可以延伸到数百帕的低真空区域。中真空区域在真空应用中是非常值得关注的一个区域，例如基于低气压放电的物理气相沉积往往在0.1Pa的范围；而分子蒸馏、稀土永磁材料熔炼则在数帕的范围。分子增压泵的中真空抽气能力主要是与作为高真空泵的油扩散泵和涡轮分子泵，以及作为中真空泵的罗茨真空泵和油增压泵来比较。0.1Pa的压力对于油扩散泵和涡轮分子泵而言略高了一些，泵可以工作，但并不是很稳定，而1Pa的压力下几乎不能工作。较高的压力会破坏油蒸汽的射流，射流一旦紊乱便失去抽气能力。同样这一压力下，对于一般尺寸入口的涡轮分子泵来讲还达不到完全的分子流状态，涡轮分子泵的抽气作用是

12、对气体作相对运动的叶轮两侧传输几率的差异产生的，而这一差异必须是以气体处于分子流状态为前提的，如偏离分子流，则抽气能力要受到明显的影响，所以0.1Pa的压力对于油扩散泵和涡轮分子泵不仅抽气能力受到影响，抽气的稳定性也得不到保证，而工作压力的稳定往往对真空的应用是至关重要的。还有就是在几帕的范围内涡轮分子泵的工作是存在风险的。对于作为中真空泵的罗茨泵和压力下实际抽速要比标称抽速下降很多，故抽气能力大大受到影响。油喷射泵在数帕的范围内也是其油蒸汽射流不稳定的压力，一旦射流破坏便失去抽气作用，而分子增压泵在中真空的压力范围的抽气作用不存在以上例举的各类真空泵的局限，显示了独特的能力，这一能力还需从分

13、子增压泵的抽气特性来展示，从分子增压泵的抽速曲线可以看出，在几百帕的压力时泵就具有了抽气能力（以有效抽速达到前级泵抽速的两倍起算），而后随着压力的降低抽速线性增大，约在1Pa左右达到最大值，当压力再降低时抽速略有下降，随后在高真空范围内保持一恒定值，极限真空在无烘烤的条件下可以达到好的10-5帕数量级，而烘烤后可以进入10-6Pa或更低。所以在0.1-1Pa范围内分子增压泵可以工作在额定抽速，在10Pa时抽速也可达到额定抽速的6成。分子增压泵在1Pa左右抽速会出现一个峰值，这是与涡轮分子泵抽速特性的一个显著的区别。造成这一小的极值的原因是由于泵此时工作在过渡流状态，而泵入口的流导比分子流状态下

14、的流导要大。除了抽速曲线显示出分子增压泵在中真空范围具有强劲的抽速外，更需要强调的是分子增压泵与前级泵组成的真空机组实际抽气的动态过程中所表现出的高效率。当前级泵预抽达到100Pa时，分子增压泵开始切入抽气，尽管此时的实际抽速较小，但随着压力的降低抽速逐渐增大，从100Pa到达最大抽速的1Pa的压力这一动态过程所历经的时间很短，类似一雪崩的过程，而这一过程归结于分子增压泵从进入抽气状态到抽速达到最大值遵循的是所谓的恒流量工作模式，即这一阶段的抽气发展过程任一时刻气体流量是相同的。流量可用压力和抽速的乘积来表示，即PS，如流量恒定，则这阶段泵的抽速将随压力的降低反比增大。为什么会恒流量抽气，可以

15、从物理上说明。粘滞流到分子流的过渡阶段，气体分子的密度较高，与分子态不同，此状态下并非所有的分子都能与拖动面碰撞，而是靠近拖动面的分子才能与其碰撞并获得定向动量。其后在与相邻近的分子的碰撞中再传递所获得的定向动量，这种分子之间的相互碰撞作用可以视为相互间的一种约束，这样就可以把一定量的离散的气体分子看做是一个质元，其有一个质心，从而可用质点动力学的方法来处理气体分子与拖动面之间的相互作用。在讨论气体的粘滞性流动时，就曾采用过这种经典动力学的方法。这样运动的表面对气体的拖动作用就变为与一个个质量确定的质点之间的作用，是通过质心与拖动面之间的碰撞来实现的。在拖动的过程中由于气体压力在降低，质元的体

16、积在增大，但其质心位置不变，质元的质量不变，所以这一阶段（过渡流）的抽气过程中，抽除的气体质量是恒定的。而等温条件下，流量正比于质量。这便是分子增压泵所谓恒流量工作模式的原由。 图二分子增压泵、高压强分子泵和罗茨泵的抽速与入口压强的关系以上对分子增压泵的主要特性做了简单的讨论，正是由于这些特性使得分子增压泵适用于各种真空技术的应用中，并展示出其优越性。下面主要就分子增压泵在物理气相沉积技术中的应用作一些介绍。物理气象沉积技术又称真空镀膜技术，是真空应用于材料改性的重要内容。真空镀膜的形式丰富多样，但主要可以分为蒸发镀膜、溅射镀膜以及离子镀膜。蒸发镀膜由于沉积速率高，蒸发时间短，镀膜周期亦短，所

17、以一般配置的真空机组抽速强劲，能在数分钟内将真空室抽至高真空（10-2Pa），由于镀膜时间短，所以不考虑此时的放气量，亦不考虑真空室内的油污染，如此往往机组的抽速要达到上万升/秒，主要采用大型的油扩散泵。由于目前开发出并推向市场的分子增压泵主要是200mm口径，抽速1000L/s，难于适应工业生产中蒸发镀膜对大抽速的要求，所以此处暂不涉及在蒸发镀膜中的应用，而当数千升/秒乃至上万升/秒的大口径分子增压泵开发出来后，必将在蒸发镀膜领域显示出超过传统机组的优异性能。溅射镀膜和离子镀膜广泛用于装饰涂层及刀具的硬质涂层，沉积的厚度往往在微米量级，所以沉积时间也相对较长，因此沉积过程中抑制真空室内残余活

18、性气体（主要是水蒸气）的影响也格外重要，尤其是在反应沉积中。沉积环境中的活性气体主要来自真空室内的放气，要降低活性气体的分压就要降低室内的放气量或内表面的放气率，由于降低放气率是一个缓慢的过程，即使采用烘烤等强化措施亦是如此，这就决定了在溅射镀膜和离子镀膜技术中，合理的工艺必须经过较长时间的抽气过程（所谓精抽），目的是使真空室内的放气率降低到合理的程度，以至于不会对随后的沉积过程产生不能容许的影响。所以一般此类的镀膜设备配置的真空机组的抽速没有蒸发镀膜设备那么强劲，以1000L/s的分子增压泵为例，从1台到2台、3台、4台的并联使用能够满足33真空室大小的镀膜设备的抽气要求，抽速的大小并不是由

19、被抽负载的体积决定的，而是决定于表面积。因此1000L/s分子增压泵目前也能较广泛地满足溅射镀膜和离子镀膜设备的要求，并得以在实践中展现其优势。工业生产规模的溅射镀膜和离子镀膜设备大体可以分为连续镀膜的生产线和周期式镀膜的分体式设备。而连续镀膜生产线较为典型的亦有两类，一类是大型平面磁控溅射生产线，主要用于沉积阳光控制膜、低辐射膜、高反射膜等，卧式居多。另一类是透明导电膜（ITO膜）生产线，一般是立式的。 连续镀膜生产线一、 大型真空镀膜生产线 进片室所谓进片室就是被镀基片的输入端，它的特点主要是频繁进行大气真空的转换，使基片实现从大气状态进入真空状态的过程，而这一功能是依靠装在该室两端的阀门

20、配合真空机组来完成的。早期国产设备进片室后直接就是与溅射室相连的过渡室，而进口设备在进片室后设置一缓冲室，缓冲室通过又一阀门与过渡室连接，因此可按有无缓冲室的两类不同进片室分别加以讨论。 无缓冲室图三 无缓冲室进片室示意图无缓冲室的进片室一般配置抽速较大的罗茨滑阀机组或罗茨旋片机组。要求在较短的时间内（3分钟）完成大气真空的转换，这一时间随设备的产能增加而缩短，甚至要求在不到一分钟内完成这一转换。同时还需要在这一抽气过程中达到尽量低的压力，这样在开启阀门向后输送基片时，可以尽量减少混入溅射室的活性气体，这一压力应在1Pa左右。对于以上过程传统配置的真空机组，在实际工作中存在明显缺憾。首先是真空

21、系统的返油造成了清洁基片的再污染，纵观玻璃镀膜的整个过程，主要分为两个阶段：前处理阶段和镀膜阶段。在前处理过程中用尽一切手段确保基片处于最为洁净的状态，这对于膜层的结合力、稳定性是至关重要的。在后续的镀膜阶段，现代真空技术提供了清洁的真空环境，把可能的污染降低到最低程度。但在进片室中，罗茨泵的油蒸汽会对基片造成新的污染，油蒸汽分子和其他气体分子一样，处在不断的运动中，当碰到基片上时就会以较高的粘附几率附着在基片上，在后续的沉积过程中将掩埋在膜层之下，无疑会影响膜层的稳定性。另一方面，由于罗茨泵的极限真空不高，受其抽气能力限制，在进片室达到压力下限，开启阀门向过渡室输入基片时，进片室的压力一般高

22、于过渡室的压力，也就是说气流的方向是由进片室流向过渡室。而进片室中的残气是来自于每周期中进入其中的新鲜空气，不免含有活性气体成分和来自罗茨泵的油蒸汽，这些不利成分将会进一步污染洁净的真空系统，而最终产生对膜层的不利因素，上述问题长期的存在于连续镀膜生产线，这是不争的事实，也曾引起业内人士的关注，但为何一直未能解决呢？究其原因亦很简单，那就是目前在中真空范围内还找不到一种既能取代罗茨泵又能提供清洁真空的装置，说到底，也就是受到真空获得设备的限制。以上仅是油蒸汽对基片污染的一个方面，另一方面是来自真空机组前级泵的返油而造成的油污染。返油的过程是油分子由高蒸汽压的一侧向低蒸汽压一侧的扩散运动过程，除

23、了油蒸汽的浓度梯度外，它还受分子热运动速率和平均自由程的影响，因此在浓度梯度和温度一定的条件下，油蒸汽分子的扩散过程与压力有关，一般随压力增高，自由程缩短，分子间的碰撞频繁，扩散进程变慢，反之亦然。但这也不是绝对的，扩散的快慢还与分子在热运动中的碰撞的机制有关。分子在运动中的碰撞除了分子之间的碰撞，还包括分子与器壁的碰撞。上述的规律适用于以分子之间的碰撞为主的情况下。当压力降低到分子的平均自由程大于容器 的有效尺寸时，分子之间的碰撞可以忽略，主要是分子和器壁的碰撞。由于器壁的表面普遍的存在范德瓦尔力，在该力作用下，分子易于滞留于表面一段时间，特别对于高分子的油蒸汽分子，粘附几率较大，滞留效应更

24、加显著，这无疑对油分子的扩散运动是一种阻碍。所以辩证的看，最适于返油的条件应存在于某一段压力范围内，而这范围一般公认为100Pa-0.1Pa。由于罗茨-滑阀机组或罗茨-旋片机组在排气过程中，连接前级泵的管道不可避免的处于上述压力范围，而罗茨泵的压缩比很低，故前级泵的返油也同样能对进片室内的清洁基片造成污染。由于分子增压泵的抽气特性，在无缓冲室的进片室用分子增压泵作为主泵取代罗茨泵，则上述的不足和缺憾可以完全消除。首先，分子增压泵可以实现清洁真空，杜绝了罗茨泵产生的油污染，并且在1Pa的压力下可以达到额定抽速，所以完全可以在要求的时间内达到与相邻的过渡室相同的压力，甚至更低，这样在开启阀门时能够

25、大大减少进入的活性气体和油蒸汽。同样分子增压泵的高压缩比可挡住前级泵的返油，再由于其中真空抽气能力强，在前级泵预抽达到100Pa时，即可切换到分子增压泵抽气，让预抽管路的压力始终不低于100Pa，即总是处于低返油的压力，因此多方面抑制了进片室油蒸汽的污染。然而这仅是在完成功能的前提下提高了真空的质量。而分子增压泵和罗茨泵在能耗上的巨大反差，必然产生节能的效果。应用实例：曾将分子增压泵用于某一国产大型玻璃镀膜生产线的进片室改造，该设备是有缓冲室的，但进片室机组配置与无缓冲室相同，进片室体积3,基片尺寸为×，沉积高反射膜，配置的真空机组为ZJ1200和H150，用2台800L/s的分子增

26、压泵取代ZJ1200罗茨泵，保留原H150滑阀泵，当压力下降缓慢，但在规定时间仍能抽到更低压力，而后续室体即使是沉积室压力也往往在0.3-0.5Pa，所以抽气能力完全符合要求，实现进片室的清洁真空，同时能耗从罗茨泵的11KW降低至分子增压泵的0.4KW，节能10KW以上。 有缓冲室图四 有缓冲室进片室示意图缓冲室介于进片室和过渡室之间，起到缓解和降低两室之间的压力差的作用。而这一作用可以在开启阀门时进一步减少混入沉积室的有害成分以及引起的压力波动。在无缓冲室的情况下，由于压力差较高，开启阀门时会较明显的引起沉积室压力的变化，因此必须有一个延时稳定的过程，基片沉积时，压力波动必然会产生色差，但延

27、）。尽管缓冲室的设置是一个进步，前述的进片室的缺憾仍然存在。清洗干净的基片在进片室的转换过程中受到罗茨机组的油蒸汽污染，而且这一影响还会持续到缓冲室内，即使缓冲室的机组能实现清洁真空。掩埋在膜层之下和混入其中的油分子必然会影响其化学稳定性，这是隐性的；除此之外油蒸汽对基片的污染还会对膜层的质量造成一种显性的影响，即针孔。针孔是真空镀膜的一个重要指标，它有两种表现形式，一种是膜层沉积后即显现针孔，这主要是附着在基片上的颗粒状尘埃造成的。控制这一类针孔还是比较容易的。另一种针孔在膜层沉积完并不即刻出现，而是覆盖上有一定粘度的保护膜（这往往是必须的，如高反射膜），再经过一次粘揭后才会显现，因此是隐性

28、的，应称之伪针孔。其产生的原因归结为针孔产生处的膜层结合力太弱，即界面上存在油蒸汽分子团甚至更多，这一问题困扰着不少企业。而分子增压泵能实现清洁真空及超强的中真空抽气能力能使上述问题得到完美的解决，这可通过应用实例来说明。设备仍是前面涉及的镀膜生产线，在进片端它设置有缓冲室。原真空机组配置进片室为ZJ1200+H150，而缓冲室主泵为F1500涡轮分子泵。用分子增压泵对原机组进行改造，进片式拆除ZJ1200的罗茨泵，只保留H150的滑阀泵。而缓冲室用两台800L/s的分子增压泵取代F1500涡轮分子泵，抽气工艺作如下变动，进片室在输入基片关闭阀门后，由H150滑阀泵抽气至100Pa，开启阀门将

29、基片输入缓冲室，由于缓冲室和进片室体积相同，此时缓冲室压力为50Pa，关闭阀门后分子增压泵开始抽气，在不到一分钟内，缓冲室压力可降到0.5Pa以下，尽管滑阀泵有油蒸汽污染，但是抽气工艺避开了理论上的易于返油的区域。而缓冲室分子增压泵在实现清洁真空的同时，方能起到缓冲作用，在满足上述功能上的要求外，这一改造除能耗上节约10KW以上，还可以节省一台F1500涡轮分子泵。 溅射室连续镀膜生产线进出线两端基本对称，而其余为溅射沉积部分，根据产能和开发膜系的能力可有不同数量的组合，但每个单元都是相同的。在这些单元真空机组的作用是保证沉积的氛围以及不同氛围之间的隔离。所配置的泵为高真空泵，常用的有油扩散泵

30、和涡轮分子泵，之所以需要高真空泵是因为沉积氛围必须建立在高真空本底的基础上，另外尽量清洁的真空也是膜层沉积所必须的，因此分子增压泵作为溅射沉积区域的高真空泵也是非常适合的。同时它还具有传统高真空泵所不具备的一些优点。 与扩散泵机组比较首先分子增压泵的高真空机组，前级只需要一级低真空泵，比油扩散泵的三级机组简化，可以省去作为增压泵的罗茨泵，这可减少设备费用，减少占地空间。其次油扩散泵的返油造成的真空污染是难以克服的，而分子增压泵可以实现清洁真空。另外由于溅射沉积的需求，工作压力通常在0.5Pa左右，这已经超过了扩散泵能够稳定工作的临界压力，油蒸汽射流会受到严重的干扰，因此必须通过节流增大泵口与真

31、空室之间的流导来降低泵口的压力，使之回复到稳定工作的状态，所以在沉积状态下油扩散泵的工作稳定性是受到质疑的。的工艺压力下抽气稳定，无须节流。由于其抽速决定于转速，所以即使要减少抽速，只须通过改变工作频率降低转速即可。最后，分子增压泵带来的节能效果是显著的，这含有多重的意义，一方面油扩散泵能耗比分子增压泵高出一个数量级；另一方面，节省的罗茨泵也是高能耗真空泵；对于长时间抽气，分子增压泵对前级泵的抽速要求还可降低，也就是前级泵的能耗还可进一步降低。 与涡轮分子泵机组比较涡轮分子泵作为主泵的机组，一般也是三级机组，所以分子增压泵与之相比，也能使机组简化，能耗降低。0.5Pa的工作压力使涡轮分子泵入口

32、不能处于分子态，所以不能正常工作，也需要节流，较高的沉积压力下，抽气没有分子增压泵稳定。油润滑的涡轮分子泵不能倒置安装，而分子增压泵可以全方位安装，如泵安装在溅射室的顶部，泵口向下，可使抽气的均匀性较之两侧抽气得到改善，原莱宝的设备大都如此。除此之外，由于分子增压泵轴承线速度小，其寿命显著延长，耗油量大大减少。该泵具有极强的抗大气冲击的能力，涡轮分子泵动静轮易被打光的现象也是绝对不会发生的。，此过程时间极短，但至少能使室内气体的活性成分降低2个数量级，多次反复进行能在相同的抽本底的时间内到达更好的本底质量或是在保证相同的本底质量的前提下，可以缩短预抽本底的时间。二、ITO膜生产线此处仅作简略讨

33、论。分子增压泵可以完全取代ITO膜生产线的涡轮分子泵及罗茨泵，实现无罗茨泵的清洁真空机组。具体的配置如下：进片室为分子增压泵及滑阀泵机组或仅用滑阀泵，前者可以抽至1Pa以下，后者抽至低于100Pa，这两种配置均能实现进片室的清洁真空。缓冲室为分子增压泵及旋片泵机组，亦能实现清洁真空。溅射室为分子增压泵和旋片泵机组，要强调的是，一台30L/s的旋片泵可以同时作为6台1000L/s的分子增压泵的前级泵，而且在溅射室中一台1000L/s的分子增压泵完全可以取代一台1500L/s的涡轮分子泵，这是因为在0.3-0.5Pa的沉积压力下，分子增压泵的抽速恒定，而涡轮分子泵的抽速达不到额定抽速。另一方面，I

34、TO膜生产线的溅射室内由于长时间连续工作，活性成分很少，完全可以相应降低对抽速的要求。全分子增压泵的抽气机组（含前级泵）不仅结构简单，节省空间，而且也可显著降低能耗。分体式溅射镀膜，离子镀膜设备一、 抽气工艺 真空机组 溅射镀膜和离子镀膜配置的均是高真空机组，而主泵无论是油扩散泵还是涡轮分子泵，一般都是三级机组，这是因为这两种泵的吸入压力不高，所以仅一级前级泵不能正常工作，需用罗茨泵增压。采用分子增压泵作为主泵的高真空系统只需两级机组，这是由于分子增压泵吸入压力高，100Pa即可正常工作，故无需增压。分子增压泵机组与油扩散泵机组比较，能实现清洁真空，占地面积减小，还有三重意义上的显著节能效果。

35、其一，主泵功耗相差甚大。其二，节省了罗茨泵的能耗，这也是相当可观的。其三，分子增压泵对前级泵的抽速要求比传统泵要小，考虑到缩短预抽时间，前级泵应有较大的抽速，例如70L/s的预抽泵可以配置总抽速3000L/s的分子增压泵，而后者在正常工作时对前级泵的要求不超过15L/s,这一点的实际意义在于，整个镀膜的周期较长（约2小时），而预抽时间极短（数分钟），所以只需配置较小的维持泵，可以大幅度降低前级泵的能耗。同时可以大大降低大型真空泵的损耗。分子增压泵与涡轮分子泵机组比较，机组简化，节省空间，同时也减少了设备的费用。因为涡轮分子泵与分子增压泵的价格大致相同，所以罗茨泵的费用就显得重要。另外前级泵的配

36、置可以减小，故仍具有双重意义的节能效果。与传统真空机组相比，还有一点是值得强调的，分子增压泵能在较大压力下工作。这对工艺的实现和拓广创造了条件，以后还会进一步讨论这个问题。 精抽过程 前面了解到，由于溅射镀膜和离子镀膜的特点，在工件镀前有一较长的抽气过程，即所谓精抽过程。其目的就是要在沉积的过程中，将活性气体的分压降低到所必须的程度，否则不能保证镀件的质量。活性气体是影响镀层品质的有害成分，主要是水蒸气，它来自真空室内表面的放气。要降低活性成分的分压，就需要减少放气量。任何表面在一定的压力和温度下都有一定量的吸附气体，随着空间压力的降低，比如在抽气过程中，吸附气体可以释放出来；另外随着温度的升

37、高，吸附气体也会更快的释放出来。在温度不变的情况下，气体的释放是一个缓慢的过程，即衡量放气快慢的物理量放气量或放气率是随时间线性的减少，但放气量随温度的变化比较敏感，随温度的增高呈指数增大。另外空间压力对放气量也有一定的影响，但不是主要因素，特别是压力在同数量级范围内时。针对以上的规律，合理的镀前工艺一般采用高温烘烤下的较长时间（约40-60分钟）的精抽过程。精抽的效果最终必须根据镀件的质量是否受到活性气体的影响来判断。但即时的现场判断往往来自精抽所达到的极限压力这一表象。但这一表象是否能反映本质应存在质疑，因为放气量是本质，而它的大小不仅与压力有关，还与此时的泵的抽速大小有关，即Q=PS。这

38、仅是表征了放气量与压力和抽速之间的数值关系，决定放气量大小的应是抽气时间、烘烤的温度，当然还有空间压力，前面已经强调了与压力的关系并不重要，特别是当抽气时间相同，烘烤温度相同，而空间压力又在同一数量级内时，放气量的大小应基本相同。空间压力对放气量的影响在于分子碰撞表面引起的再吸附及对脱附气体分子的背反射，但由于高温烘烤下的吸附几率很小，所以使得这一因素处于次要的地位。 图五 扩散泵（分子泵）溅射镀膜设备结构图 图六 分子增压泵溅射镀膜设备结构图 精抽的效果评估 这一问题的讨论是有现实的意义，然而对这一问题的理解可能存在误区，精抽的目的是降低活性气体的放气量，它主要决定于烘烤的温度和抽气时间，而

39、此时极限压力仅是作为一个标志，对同一设备同一真空机组这标志是有意义的。但对同一设备更换抽速有适当的差异的不同真空机组时，这一标志便失去了意义。具体来讲，对于1500L/s的涡轮分子泵机组，经过精抽后，极限压力为P，如果用1000L/s的分子增压泵取代1500L/s的涡轮分子泵，在同样的烘烤温度下，经过同样的抽气时间，极限压力应为1.5P，但这两种情况下的放气量应基本相同，如果为了达到相同的极限压力而延长抽气时间则完全失去了意义。二、沉积工艺 辉光清洗 利用低气压辉光放电产生的等离子体中的带电粒子对工件表面进行轰击，可以进一步促使工件的放气并清除微小的杂质和污渍，起到净化、改善沉积效果的作用。一

40、般选择的放电压力为2Pa，这是适于放电的压力范围，但它不在扩散泵和涡轮分子泵正常工作的范围，为此要采用节流的措施来应对，这就明显甚至大大地降低了泵的有效抽速，从而导致真空室室内的活性气体分压升高。分子增压泵在这一放电压力基本是满抽速，所以有利于尽量低的抑制活性气体分压，这对工件的轰击清洗是有利的，因为活性气体的脱附过程是可逆的，降低空间的分压，就能弱化逆过程，而使活性气体的脱附更加彻底。当然有效抽速大，放电所需的工作气体Ar气的流量也大，但这是次要的因素。辉光清洗效果决定于轰击在工件表面的带电粒子数量以及能量。工件的偏压大小可以改变带电粒子的能量，但放电的等离子体浓度应决定于放电的压力。因为不

41、同气压下的放电的电离度是相同的，约万分之一。过高的偏压会损伤工件的表面，因此提高放电的等离子体浓度可能更有利于轰击清洗效果的改善，也就是说提高辉光放电的压力是优化清洗效果的一种手段，但对扩散泵和涡轮分子泵而言，受抽气机制的限制勉为其难，特别是涡轮分子泵，会承受更大的风险。而分子增压泵却具有作出这一尝试的条件。 沉积过程 这一过程由于工作气体和反应气体的注入，使得沉积压力一般在0.5Pa左右，这是传统的高真空泵诸如油扩散泵和涡轮分子泵不能稳定工作的压力，必须通过节流使泵保持在稳定工作的状态，否则沉积压力波动会严重影响的压力下可以达到额定抽速，而且非常稳定，所以无需节流，这样在经过精抽过程、放气量相同的情况下，分子增压泵能使沉积氛围中的活性气体分压比传统泵降至更低，这无疑有利于提高膜层的质量。当然此时工作气体和反应气体的耗量要增加很多，其实总的成本并不多。如果一味为了节约气体不需节流也强行节流，则真是捡了芝麻丢了西瓜。对此可能还有一种不实的看法，即认为气体流量大，引起了沉积区域气体的方向性流动，从而使得室内气体分布不均匀，最终影响了沉积的均匀性。关于这个问题可以通过实例分析