張永勝，儲繼國（.亞智系統(tǒng)科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 50；.深圳大學(xué)，深圳 58060）

徑流分子泵在多弧離子鍍膜設(shè)備的最新應(yīng)用

張永勝1，儲繼國2
（1.亞智系統(tǒng)科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215011；2.深圳大學(xué)，深圳 518060）

通過對新開發(fā)問世的徑流分子泵進(jìn)行介紹，其獨(dú)特抽氣特性，為多弧離子鍍的工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。傳統(tǒng)多弧離子鍍的抽氣工藝和鍍膜工藝，是在擴(kuò)散泵和渦輪分子泵抽氣能力的制約下總結(jié)出來的。徑流泵機(jī)組的問世，為多弧離子鍍膜提供了更加寬廣的鍍膜工藝選擇空間。這樣就有必要對抽氣工藝和鍍膜工藝進(jìn)行重組和優(yōu)化，進(jìn)一步提升多弧離子鍍膜設(shè)備的性能和經(jīng)濟(jì)效益。

多弧離子鍍；徑流分子泵；鍍膜工藝；抽氣特性

0 引言

材料科學(xué)是國家發(fā)展的三大支柱之一，薄膜材料更是我國前沿科學(xué)和高新技術(shù)產(chǎn)品的重要基石。制備薄膜材料的技術(shù)隨著高新技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越寬闊。多弧離子鍍具有膜層致密性好、結(jié)合力強(qiáng)和膜材品種多等一系列優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為制備各種功能薄膜的重要手段，應(yīng)用范圍廣泛［1-3］。

1 傳統(tǒng)多弧離子鍍膜設(shè)備抽氣主泵的缺點(diǎn)

目前，多弧離子鍍設(shè)備普遍采用渦輪分子泵抽氣（擴(kuò)散泵也有一部分），取得了較好的效果，但仍存在四方面的缺點(diǎn)：

（1）渦輪分子泵的高壓力抽氣能力低，在＞0.1 Pa區(qū)段，抽速隨壓力升高迅速下降，當(dāng)壓力為0.5 Pa時抽速降至約標(biāo)稱值的50%，1.0 Pa抽速達(dá)不到標(biāo)稱值的30%，導(dǎo)致鍍膜階段本底殘余氣體分壓力隨鍍膜壓力升高迅速上升，影響鍍膜真空環(huán)境質(zhì)量，從而降低鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)多弧離子鍍的工作壓力通常不超過0.5 Pa，限制了鍍膜產(chǎn)能的提高和工藝窗口的選擇。油擴(kuò)散泵除了上述問題外，還存在返油，高能耗等問題［4-5］；

（2）鍍膜區(qū)段，渦輪分子泵抽速隨壓力升高迅速下降，還造成工作氣體流量微小變化，會產(chǎn)生鍍膜壓力的顯著變化（圖3中F-250渦輪分子泵曲線的斜率），導(dǎo)致鍍膜工藝穩(wěn)定性差，膜層性能（色澤等）一致性下降［6］；

（3）渦輪分子泵切入時，壓力在2.0～10.0 Pa，正好是粗抽泵返油最大的區(qū)段（俗稱返油窗口），不到1 s，粗抽泵的油蒸氣就會在鍍膜工件表面鍍上一層油分子膜，影響鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量［5］；

（4）由于渦輪分子泵結(jié)構(gòu)需要，需配置較大的粗抽泵和前級泵抽氣機(jī)組，渦輪分子泵的渦輪轉(zhuǎn)子易發(fā)生打片損壞，此外仍有一部分?jǐn)U散泵機(jī)組為主泵的多弧離子鍍設(shè)備。擴(kuò)散泵雖然初期抽入成本較低，但是擴(kuò)散泵同等抽速能耗是分子泵的10倍以上，同時存在系統(tǒng)油污染嚴(yán)重、所生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題［7-8］。

2 徑流分子泵

徑流分子泵（簡稱徑流泵）是深圳大學(xué)最近實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新一代分子泵。該泵具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、高壓力抽氣能力強(qiáng)、抽速平穩(wěn)和能獲得清潔無油真空等一系列優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為多弧離子鍍的最佳選擇。徑流分子泵轉(zhuǎn)子全部由平圓盤組成，轉(zhuǎn)子高速運(yùn)動時，將動量傳遞給待抽氣體分子，然后，采用獨(dú)特的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，將相鄰抽氣單元的氣體動量依次交替改變方向，構(gòu)成串聯(lián)抽氣，從而將轉(zhuǎn)子中部的氣體抽向兩側(cè)，實現(xiàn)抽氣功能［9-10］。

2.1 徑流泵和渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)比較

徑流泵的物理結(jié)構(gòu)十分簡潔，轉(zhuǎn)子由平圓盤組成，攻克了渦輪分子泵轉(zhuǎn)子打片一大缺陷。

2.2 徑流泵和渦輪分子泵的性能比較

圖1（a）為RMP-250D徑流泵和（b）為F-250渦輪分子泵，其性能比較如表1所列。

表1 RMP-250D徑流泵和F-250渦輪分子泵的性能比較

圖1 徑流分子泵轉(zhuǎn)子和渦輪分子泵轉(zhuǎn)子實物圖

（1）徑流泵的高真空性能與分子泵持平，最高入口工作壓力達(dá)200 Pa，高出渦輪分子泵10倍；

（2）徑流泵具有強(qiáng)勁的中真空抽氣能力，在0.5～1.0 Pa多弧離子鍍膜區(qū)段，抽速高達(dá)渦輪分子泵1.7～3.0倍，即1臺徑流泵可取代2臺渦輪分子泵；

（3）在0.2～0.8 Pa區(qū)段，徑流泵抽速達(dá)到最大值，工作體流量變化對泵的壓力影響?。▓D2中RMP-250徑流泵曲線的斜率，抽速斜率不到渦輪分子泵的1/10，鍍膜工藝穩(wěn)定性（如色澤的一致性）好；

（4）徑流泵抽氣流量大，在最大抽速的鍍膜區(qū)段，抽氣流量超過500 L/min，約為分子泵的3倍，顯著提高設(shè)備的產(chǎn)能，如圖3所示；

（5）徑流泵的能耗低，約為羅茨泵/擴(kuò)散泵的10%，渦輪分子泵的50%。

圖2 徑流泵和渦輪分子泵的抽速比較曲線圖

圖3 氣體流量對徑流泵和渦輪分子泵壓力的影響曲線圖

3 徑流泵多弧離子鍍設(shè)備（Φ1.60×1.20 m3）

徑流泵多弧離子鍍設(shè)備（2.4 m3）的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。此多弧離子鍍設(shè)備主要用于表殼、金屬件等鍍膜，此膜層有裝飾和表面硬化等功能。此設(shè)備內(nèi)部一共有6付磁控濺射靶位，可工作的多弧離子源8套，工藝氣體主要為：氬氣、氮?dú)?、氧氣、乙炔等?/p>

3.1 泵組基本配置

粗抽泵：2X-70旋片泵；主泵：3×RMP-250D徑流泵+2X-15前級泵。

3.2 抽氣工藝

粗抽（105～102Pa）：2X-70旋片泵抽氣；主泵，鍍膜（102～10-3Pa）：3×RMP-250D徑流泵+2X-15+抽氣。若對精抽本底有較高要求，精抽階段可增設(shè)1臺電弧鈦泵（10 000 l/s）抽氣。

圖4 徑流泵多弧離子鍍設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)1.多弧離子鍍腔體；2.真空閥；3.電弧鈦泵；4.徑流分子泵；5、8.壓差閥；6.前級泵；7.粗抽泵

3.3 徑流泵多弧離子鍍設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)

（1）采用徑流泵，鍍膜時的工作壓力可提升至1.0 Pa以上，產(chǎn)能提高20%以上；

（2）采用徑流泵，粗抽壓力提升至100 Pa，粗抽不再需要羅茨泵，即可繞過粗抽階段的返油窗口，消除粗抽泵的油蒸氣污染，并縮短30%粗抽時間；

（3）采用徑流泵，提高鍍膜階段有效抽速，降低鍍膜階段的殘余有害氣體分壓力，從而提高鍍膜環(huán)境質(zhì)量和鍍膜產(chǎn)品質(zhì)量；

（4）采用徑流泵，顯著降低工作氣體流量變化對壓力波動的影響，提高鍍膜工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品的質(zhì)量［7，11］。

（5）1套粗抽泵可供5～10臺鍍膜設(shè)備共用，節(jié)省設(shè)備、費(fèi)用和占地空間；

（6）能耗低，僅為渦輪分子泵的50%。

3.4 徑流泵多弧離子鍍設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益

（1）提升設(shè)備產(chǎn)能30%以上；

（2）消除粗抽階段的油蒸氣污染，提高產(chǎn)品質(zhì)量；（3）鍍膜工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品一致性好；

（4）節(jié)省抽氣能耗50%，每臺設(shè)備節(jié)電3萬度/年。

4 討論

現(xiàn)有多弧離子鍍的抽氣工藝、鍍膜工藝，是在擴(kuò)散泵和渦輪分子泵抽氣能力的制約下總結(jié)出來的，徑流泵機(jī)組的問世，為多弧離子鍍提供了更加寬廣的工藝選擇空間，有必要對抽氣工藝和鍍膜工藝進(jìn)行重組和優(yōu)化，進(jìn)一步提升多弧離子鍍設(shè)備的性能和經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)多弧離子鍍，壓力高于0.5 Pa時鍍膜質(zhì)量普遍下降，由于工業(yè)鍍膜設(shè)備不配置分壓力計，導(dǎo)致用戶將質(zhì)量下降與鍍膜總壓力關(guān)聯(lián)的誤解。其實鍍膜質(zhì)量下降相當(dāng)大的部分原因是分子泵抽速隨壓力升高下降，導(dǎo)致本底殘余有害氣體分壓顯著升高造成的，與總壓力無實質(zhì)性關(guān)聯(lián)［14］。

在0.5～1.0 Pa區(qū)段，徑流泵的抽速達(dá)到最大值，高達(dá)分子泵的1.6～2.5倍，而且波動小，因此適度提高多弧離子鍍工作壓力和工作氣體流量，不僅不會影響鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，還能顯著提高多弧離子鍍的產(chǎn)能，增大多弧離子鍍膜的工藝窗口。

最近，北京某多弧離子鍍公司采用徑流泵，將多弧離子鍍膜壓力提高到1.0 Pa左右，獲得了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能同步提升的好成績。

［1］王福貞.表面沉積技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［2］唐偉忠.薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

［3］王福貞，劉歡，那日松.離子鍍膜技術(shù)的進(jìn)展［J］.真空，2014，51（5）：1-8.

［4］Duval P.Selection criteria for oil-free vacuum pumps［J］.JournalofVacuumScience&TechnologyA，1989，7（3）:69-72.

［5］Mattox D M.Fundamentals of ion plating.Journal of Vacuum Science&Technology，1972，10（1）:47-52.

［6］Danyluk M，Dhingra A.Ion-Plating Process Model［M］//Rolling Contact Fatigue in a Vacuum，Springer International Publishing，2015:99-125.

［7］ChenNH，ChungCJ，ChiangCC，etal.Antimicrobialcoppercontaining titanium nitride coatings Co-deposited by arc ion plating/magnetronsputteringforprotectiveanddecorativepurposes［J］.Surface&CoatingsTechnology，2014，253（9）:83-88.

［8］Okamoto A，Serikawa T.Reactive sputtering characteristics of silicon in an Ar-N2mixture［J］.Thin Solid Films，1986，137 （1）:143-151.

［9］Chu J G.Model of differential electrical network for the blades of turbomolecular pumps［J］.Journal of Vacuum Science& TechnologyA，1993，11（2）:412-416.

［10］Chu J G，Hua Z Y.Statistical theories of turbo-molecular pumps［J］.JVacSciTechnol，1981（4）:45-48.

［11］邱家穩(wěn)，王少宏，常天海，等.光學(xué)太陽反射鏡基底的輝光放電清洗［J］.真空與低溫，1993，12（2）：82-87.

［12］Okamoto A，Serikawa T.Reactive sputtering characteristics of silicon in an Ar-N2mixture［J］.Thin Solid Films，1986，137:143-15.

THE NEW APPLICATIONG OF RADIAL MOLECULAR PUMPS（RMP）ON ARC ION PLATING COATERS

ZHANG Yong-sheng1，CHU Ji-guo2
（1.Manz Coating GmbH，Suzhou Jiangsu 215011，China；2.Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

This paper introduces the newly developed radial molecular pump（RMP）.The theory of process optimization is based on the special pump curve.The pump process and the coating process were developed according to restricted diffusion pumps and the TMPs.After the RMP is developed，it can extend the process windows for arc ion plating coating. It is necessary to optimize the pump process and the coating process to make the coater performance better.

arc ion plating；Radial Molecular Pumps（RMP）；coating process；pump speed

O484

A

1006-7086（2016）02-0111-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.010

2015-12-18

張永勝（1983-），男，江蘇省洪澤人，碩士，從事真空鍍膜、徑流分子泵研究工作。E-mail：kanezhangys@163.com。