徑流分子泵在多弧離子鍍膜設備的最新應用

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

徑流分子泵在多弧離子鍍膜設備的最新應用

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

通過對新開發問世的徑流分子泵進行介紹，其獨特抽氣特性，為多弧離子鍍的工藝優化提供了理論依據。傳統多弧離子鍍的抽氣工藝和鍍膜工藝，是在擴散泵和渦輪分子泵抽氣能力的制約下總結出來的。徑流泵機組的問世，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行重組和優化，進一步提升多弧離子鍍膜設備的性能和經濟效益。

多弧離子鍍；徑流分子泵；鍍膜工藝；抽氣特性

0 引言

材料科學是國家發展的三大支柱之一，薄膜材料更是我國前沿科學和高新技術產品的重要基石。制備薄膜材料的技術隨著高新技術的發展，應用范圍越來越寬闊。多弧離子鍍具有膜層致密性好、結合力強和膜材品種多等一系列優點，現已成為制備各種功能薄膜的重要手段，應用范圍廣泛［1-3］。

1 傳統多弧離子鍍膜設備抽氣主泵的缺點

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

（1）渦輪分子泵的高壓力抽氣能力低，在＞0.1 Pa區段，抽速隨壓力升高迅速下降，當壓力為0.5 Pa時抽速降至約標稱值的50%，1.0 Pa抽速達不到標稱值的30%，導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，影響鍍膜真空環境質量，從而降低鍍膜產品的質量。傳統多弧離子鍍的工作壓力通常不超過0.5 Pa，限制了鍍膜產能的提高和工藝窗口的選擇。油擴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），導致鍍膜工藝穩定性差，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，影響鍍膜產品的質量［5］；

（4）由于渦輪分子泵結構需要，需配置較大的粗抽泵和前級泵抽氣機組，渦輪分子泵的渦輪轉子易發生打片損壞，此外仍有一部分擴散泵機組為主泵的多弧離子鍍設備。擴散泵雖然初期抽入成本較低，但是擴散泵同等抽速能耗是分子泵的10倍以上，同時存在系統油污染嚴重、所生產產品質量不穩定等問題［7-8］。

2 徑流分子泵

徑流分子泵（簡稱徑流泵）是深圳大學最近實現產業化的新一代分子泵。該泵具有結構簡單、運行可靠、高壓力抽氣能力強、抽速平穩和能獲得清潔無油真空等一系列優點，逐漸成為多弧離子鍍的最佳選擇。徑流分子泵轉子全部由平圓盤組成，轉子高速運動時，將動量傳遞給待抽氣體分子，然后，采用獨特的導向結構，將相鄰抽氣單元的氣體動量依次交替改變方向，構成串聯抽氣，從而將轉子中部的氣體抽向兩側，實現抽氣功能［9-10］。

2.1 徑流泵和渦輪分子泵的結構比較

徑流泵的物理結構十分簡潔，轉子由平圓盤組成，攻克了渦輪分子泵轉子打片一大缺陷。

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 徑流分子泵轉子和渦輪分子泵轉子實物圖

（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200 Pa，高出渦輪分子泵10倍；

（2）徑流泵具有強勁的中真空抽氣能力，在0.5～1.0 Pa多弧離子鍍膜區段，抽速高達渦輪分子泵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區段，徑流泵抽速達到最大值，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段，抽氣流量超過500 L/min，約為分子泵的3倍，顯著提高設備的產能，如圖3所示；

（5）徑流泵的能耗低，約為羅茨泵/擴散泵的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備（Φ1.60×1.20 m3）

徑流泵多弧離子鍍設備（2.4 m3）的基本結構如圖4所示。此多弧離子鍍設備主要用于表殼、金屬件等鍍膜，此膜層有裝飾和表面硬化等功能。此設備內部一共有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、氮氣、氧氣、乙炔等。

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1臺電弧鈦泵（10 000 l/s）抽氣。

圖4 徑流泵多弧離子鍍設備的基本結構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備的優點

（1）采用徑流泵，鍍膜時的工作壓力可提升至1.0 Pa以上，產能提高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，從而提高鍍膜環境質量和鍍膜產品質量；

（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，提高鍍膜工藝穩定性和產品的質量［7，11］。

（5）1套粗抽泵可供5～10臺鍍膜設備共用，節省設備、費用和占地空間；

（6）能耗低，僅為渦輪分子泵的50%。

3.4 徑流泵多弧離子鍍設備的經濟效益

（1）提升設備產能30%以上；

（2）消除粗抽階段的油蒸氣污染，提高產品質量；（3）鍍膜工藝穩定，產品一致性好；

（4）節省抽氣能耗50%，每臺設備節電3萬度/年。

4 討論

現有多弧離子鍍的抽氣工藝、鍍膜工藝，是在擴散泵和渦輪分子泵抽氣能力的制約下總結出來的，徑流泵機組的問世，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行重組和優化，進一步提升多弧離子鍍設備的性能和經濟效益。

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

在0.5～1.0 Pa區段，徑流泵的抽速達到最大值，高達分子泵的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品的質量，還能顯著提高多弧離子鍍的產能，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，獲得了產品質量和產能同步提升的好成績。

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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

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。