径流分子泵在多弧离子镀膜设备的最新应用

张永胜，储继国（.亚智系统科技（苏州）有限公司，江苏 苏州 50；.深圳大学，深圳 58060）

径流分子泵在多弧离子镀膜设备的最新应用

张永胜1，储继国2
（1.亚智系统科技（苏州）有限公司，江苏 苏州 215011；2.深圳大学，深圳 518060）

通过对新开发问世的径流分子泵进行介绍，其独特抽气特性，为多弧离子镀的工艺优化提供了理论依据。传统多弧离子镀的抽气工艺和镀膜工艺，是在扩散泵和涡轮分子泵抽气能力的制约下总结出来的。径流泵机组的问世，为多弧离子镀膜提供了更加宽广的镀膜工艺选择空间。这样就有必要对抽气工艺和镀膜工艺进行重组和优化，进一步提升多弧离子镀膜设备的性能和经济效益。

多弧离子镀；径流分子泵；镀膜工艺；抽气特性

0 引言

材料科学是国家发展的三大支柱之一，薄膜材料更是我国前沿科学和高新技术产品的重要基石。制备薄膜材料的技术随着高新技术的发展，应用范围越来越宽阔。多弧离子镀具有膜层致密性好、结合力强和膜材品种多等一系列优点，现已成为制备各种功能薄膜的重要手段，应用范围广泛［1-3］。

1 传统多弧离子镀膜设备抽气主泵的缺点

目前，多弧离子镀设备普遍采用涡轮分子泵抽气（扩散泵也有一部分），取得了较好的效果，但仍存在四方面的缺点：

（1）涡轮分子泵的高压力抽气能力低，在＞0.1 Pa区段，抽速随压力升高迅速下降，当压力为0.5 Pa时抽速降至约标称值的50%，1.0 Pa抽速达不到标称值的30%，导致镀膜阶段本底残余气体分压力随镀膜压力升高迅速上升，影响镀膜真空环境质量，从而降低镀膜产品的质量。传统多弧离子镀的工作压力通常不超过0.5 Pa，限制了镀膜产能的提高和工艺窗口的选择。油扩散泵除了上述问题外，还存在返油，高能耗等问题［4-5］；

（2）镀膜区段，涡轮分子泵抽速随压力升高迅速下降，还造成工作气体流量微小变化，会产生镀膜压力的显著变化（图3中F-250涡轮分子泵曲线的斜率），导致镀膜工艺稳定性差，膜层性能（色泽等）一致性下降［6］；

（3）涡轮分子泵切入时，压力在2.0～10.0 Pa，正好是粗抽泵返油最大的区段（俗称返油窗口），不到1 s，粗抽泵的油蒸气就会在镀膜工件表面镀上一层油分子膜，影响镀膜产品的质量［5］；

（4）由于涡轮分子泵结构需要，需配置较大的粗抽泵和前级泵抽气机组，涡轮分子泵的涡轮转子易发生打片损坏，此外仍有一部分扩散泵机组为主泵的多弧离子镀设备。扩散泵虽然初期抽入成本较低，但是扩散泵同等抽速能耗是分子泵的10倍以上，同时存在系统油污染严重、所生产产品质量不稳定等问题［7-8］。

2 径流分子泵

径流分子泵（简称径流泵）是深圳大学最近实现产业化的新一代分子泵。该泵具有结构简单、运行可靠、高压力抽气能力强、抽速平稳和能获得清洁无油真空等一系列优点，逐渐成为多弧离子镀的最佳选择。径流分子泵转子全部由平圆盘组成，转子高速运动时，将动量传递给待抽气体分子，然后，采用独特的导向结构，将相邻抽气单元的气体动量依次交替改变方向，构成串联抽气，从而将转子中部的气体抽向两侧，实现抽气功能［9-10］。

2.1 径流泵和涡轮分子泵的结构比较

径流泵的物理结构十分简洁，转子由平圆盘组成，攻克了涡轮分子泵转子打片一大缺陷。

2.2 径流泵和涡轮分子泵的性能比较

图1（a）为RMP-250D径流泵和（b）为F-250涡轮分子泵，其性能比较如表1所列。

表1 RMP-250D径流泵和F-250涡轮分子泵的性能比较

图1 径流分子泵转子和涡轮分子泵转子实物图

（1）径流泵的高真空性能与分子泵持平，最高入口工作压力达200 Pa，高出涡轮分子泵10倍；

（2）径流泵具有强劲的中真空抽气能力，在0.5～1.0 Pa多弧离子镀膜区段，抽速高达涡轮分子泵1.7～3.0倍，即1台径流泵可取代2台涡轮分子泵；

（3）在0.2～0.8 Pa区段，径流泵抽速达到最大值，工作体流量变化对泵的压力影响小（图2中RMP-250径流泵曲线的斜率，抽速斜率不到涡轮分子泵的1/10，镀膜工艺稳定性（如色泽的一致性）好；

（4）径流泵抽气流量大，在最大抽速的镀膜区段，抽气流量超过500 L/min，约为分子泵的3倍，显著提高设备的产能，如图3所示；

（5）径流泵的能耗低，约为罗茨泵/扩散泵的10%，涡轮分子泵的50%。

图2 径流泵和涡轮分子泵的抽速比较曲线图

图3 气体流量对径流泵和涡轮分子泵压力的影响曲线图

3 径流泵多弧离子镀设备（Φ1.60×1.20 m3）

径流泵多弧离子镀设备（2.4 m3）的基本结构如图4所示。此多弧离子镀设备主要用于表壳、金属件等镀膜，此膜层有装饰和表面硬化等功能。此设备内部一共有6付磁控溅射靶位，可工作的多弧离子源8套，工艺气体主要为：氩气、氮气、氧气、乙炔等。

3.1 泵组基本配置

粗抽泵：2X-70旋片泵；主泵：3×RMP-250D径流泵+2X-15前级泵。

3.2 抽气工艺

粗抽（105～102Pa）：2X-70旋片泵抽气；主泵，镀膜（102～10-3Pa）：3×RMP-250D径流泵+2X-15+抽气。若对精抽本底有较高要求，精抽阶段可增设1台电弧钛泵（10 000 l/s）抽气。

图4 径流泵多弧离子镀设备的基本结构1.多弧离子镀腔体；2.真空阀；3.电弧钛泵；4.径流分子泵；5、8.压差阀；6.前级泵；7.粗抽泵

3.3 径流泵多弧离子镀设备的优点

（1）采用径流泵，镀膜时的工作压力可提升至1.0 Pa以上，产能提高20%以上；

（2）采用径流泵，粗抽压力提升至100 Pa，粗抽不再需要罗茨泵，即可绕过粗抽阶段的返油窗口，消除粗抽泵的油蒸气污染，并缩短30%粗抽时间；

（3）采用径流泵，提高镀膜阶段有效抽速，降低镀膜阶段的残余有害气体分压力，从而提高镀膜环境质量和镀膜产品质量；

（4）采用径流泵，显著降低工作气体流量变化对压力波动的影响，提高镀膜工艺稳定性和产品的质量［7，11］。

（5）1套粗抽泵可供5～10台镀膜设备共用，节省设备、费用和占地空间；

（6）能耗低，仅为涡轮分子泵的50%。

3.4 径流泵多弧离子镀设备的经济效益

（1）提升设备产能30%以上；

（2）消除粗抽阶段的油蒸气污染，提高产品质量；（3）镀膜工艺稳定，产品一致性好；

（4）节省抽气能耗50%，每台设备节电3万度/年。

4 讨论

现有多弧离子镀的抽气工艺、镀膜工艺，是在扩散泵和涡轮分子泵抽气能力的制约下总结出来的，径流泵机组的问世，为多弧离子镀提供了更加宽广的工艺选择空间，有必要对抽气工艺和镀膜工艺进行重组和优化，进一步提升多弧离子镀设备的性能和经济效益。

传统多弧离子镀，压力高于0.5 Pa时镀膜质量普遍下降，由于工业镀膜设备不配置分压力计，导致用户将质量下降与镀膜总压力关联的误解。其实镀膜质量下降相当大的部分原因是分子泵抽速随压力升高下降，导致本底残余有害气体分压显著升高造成的，与总压力无实质性关联［14］。

在0.5～1.0 Pa区段，径流泵的抽速达到最大值，高达分子泵的1.6～2.5倍，而且波动小，因此适度提高多弧离子镀工作压力和工作气体流量，不仅不会影响镀膜产品的质量，还能显著提高多弧离子镀的产能，增大多弧离子镀膜的工艺窗口。

最近，北京某多弧离子镀公司采用径流泵，将多弧离子镀膜压力提高到1.0 Pa左右，获得了产品质量和产能同步提升的好成绩。

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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

张永胜（1983-），男，江苏省洪泽人，硕士，从事真空镀膜、径流分子泵研究工作。E-mail：kanezhangys@163.com。