真空泵是指利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。通俗来讲,真空泵是用各种方法在某一封闭空间中改善、产生和维持真空的装置。

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【真空泵抽气】分为三个大阶段

真空泵抽气
  不放气的即使真的不漏气,放气总是存在实际上(3式反映的泵在抽除真空室内空间气体的过程中压力的变化规律。当压力较高时,系统的漏气量和放气量相对空间的气体量较小时,其影响可以忽略,可以认为近似满足不漏气和不放气的条件,也就是3规律能近似成立。当压力较低时,系统的漏气量和放气量不可忽略甚至成为主要的气体负载时,3规律就要发生偏离,表示在压力下降变为缓慢,一般发生这一转变的压力在0.5Pa左右,因此一个真空系统典型的抽气过程先是压力下降很快,某一压力开始变慢。由于一个合格的真空系统对其漏率有严格的要求,所以放气是影响系统压力降低的主要因素,而放气是一个缓慢的过程,即使采用烘烤等强化措施,要达到某一预定的压力,往往要经过很长的时间。
 
  任何真空系统都希望尽量缩短抽气的时间,这关系到提高效率和降低能耗,但并不是所有的真空应用都具有缩短抽气时间的条件。可以把不同的真空应用分为两大类:一类是不改虑系统内的放气量,而只有真空度的要求;另一类是要求真空室内充沛的放气,即放气率要降到某一临界值。这两类不同的应用对泵配置的要求是不一样的对于前一类应用,如真空度要求在0.5pa以上,只要时间常数足够的小,便可昼量缩短抽气的时间。但如真空度要求在0.5Pa以下,就必需改虑放气对压力变化的影响。放气量随时间的变化缓慢。特别是无烘烤的情况下。要在预定较短的时间内达到较高的真空度,就必需以较大的抽速抽除较大的放气量。也就是说如放气量为Q泵的有效抽速为S0则可达到平衡压力P=Q/S0如平衡压力确定,则达到时间越短,要求泵的有效抽速就越大。
 
  蒸发镀膜就是典型的这类的应用,由于蒸镀的速度快,时间短,所以不考虑放气量的影响(即活性气体的影响)但蒸发粒子的能量低,要求绝大部分粒子无碰撞地沉积到工件上,以保证结合力及减少散射,这就要求真空室内的平均自由程不小于蒸发源到工件的距离,与此相应的压力约在110-2Pa这便是蒸发镀膜对真空度的要求。如何在尽量短的时间内达到这一压力,就对泵的有效抽速提出了要求,原则是时间越短,由于放气量越大,有效抽速就要求越大。所以蒸发镀膜一般配置抽速强大的油扩散泵机组,功率有数十千瓦,几分钟至十几分钟内便可达到工作真空度,但该系统对工件造成的油蒸汽污染是难以防止的特别是塑料金属化膜层易发黄。
 
  目前涡轮分子泵抽速满足不了大型蒸发镀的需要。而大抽速的低温泵又是工业化规模镀膜所承受不了根据被抽空间气体负载的特性,利用分子增压泵抽除永久性气体,结合低温冷凝水捕集泵抽除水蒸汽,有望实现大抽速获得清洁真空的全新抽气工艺。真空室内压力在0.5Pa以上时,主要气体成份是永久性气体,而0.5Pa以下的主要气体成份是水蒸汽(90%由于分子增压泵具有超强的中真空抽气能力,从100Pa0.5Pa抽气时间极短,而在0.1Pa以后启用低温冷凝水捕集泵,可在较短时间内使室内压力降低1个数量级,达到110-2Pa对于3-5m3大型蒸发镀膜设备,配置3-4台1000升/秒的分子增压泵和一台功率5kw低温冷凝水捕集泵便能实现上述的抽气工艺,这无疑具有开创性。
 
  对于后一类应用,由于放气量变化依赖于温度和时间,而与气相空间的压力关系不大,只要压力低于现存吸附量所对应的平衡压力即可,一般在抽气过程中均满足此条件。因此,用强劲的抽速即使在很短的时间内把空间压力降至很低,依然不能明显减少真空室内的放气量,而必需配置合适的抽速,合理的烘烤温度下,合理的时间内使放气量达到工艺要求的水准,这一般要历经数十分钟的时间。这类应用较为典型的有钛金行业的溅射镀膜和离子镀膜,没有一个真空系统是不漏气。稀土永磁资料熔炼等。其中,过量的活性气体会影响膜层的品质和材料的质量,因此工艺中均有一段较长时间的精抽过程。对于镀膜室为1m3左右的溅射或离子镀膜设备,一般配置4000升/秒抽速的真空机组,为了促使真空室和工件更快地放气,往往烘烤到300℃的温度。值得强调的钛金镀膜中,泵的抽速大小,泵的特性、抽气工艺及所需的堆积压力之间表示出的辩正关系。一个镀膜周期中,真空机组的抽气可以分为三个阶段,即精抽阶段,辉光轰击和溅射沉积阶段。精抽的目的为了减少真空室内的放气量,其结果主要决定于烘烤温度和抽气时间,与空间压力关系不大,特别是压力在同数量级内。
 
  因此,主泵的抽速在适当的差异内,精抽的效果是一样的真空室内的放气率都可降低到相同的水平,尽管所对应的极限真空不同。具体地讲1000升/秒分子增压泵和1500升/秒的涡轮分子泵在这一阶段抽气的效果是相同的辉光轰击阶段,由于此时放电压力在2Pa左右,一般来讲主泵的抽气能力受到影响,激进地均采用节流的方法以牺牲抽速来换取泵的稳定工作,扩散泵和涡轮分子泵都是如此,尤其是扩散泵抽速损失更大,相应地放电的氩气流量也明显减少。
 
  然而这一阶段只有大的有效抽速,大的氩气流量才干获得更好的轰击清洗的效果。这一点上分子增压泵是有明显的优势。最后的溅射堆积阶段典型的工作压力为0.5Pa扩散泵和涡轮分子泵仍需节流,且不说在该种情况下,堆积的压力难于稳定,减小的抽气速率势必要让精抽过程中所达到活性气体(放气)分压明显地回升。放气量一定的情况下,活性气体的分压高低决定了对堆积膜层质量的影响。能以满抽速稳定抽气的分子增压泵,此又一次显示了优越性。

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