CN104100492B - 高真空电弧泵及其抽气机组 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空获得技术领域，尤其涉及一种高真空电弧泵及其抽气机组。本发明在传统电弧泵的阴极靶中掺入高蒸汽压材料，高蒸汽压材料为镁、铝、鋅、钙或其中任意至少两种的混合，高蒸汽压材料在阴极靶中的重量百分比为0.5~80%，大幅度拓展了电弧泵的高真空工作范围。本发明在电弧泵的阴极靶和可开合的面板之间设有金属挡板，金属挡板与周围部件绝缘，消除了面板的温升，显著降低面板吸附气体的解吸，进一步提高了电弧泵的极限真空。另外，本发明电弧泵设有阴极靶消耗预警措施，有效避免了电弧泵冷却水套烧穿事故，提高了电弧泵运行的可靠性。

Description

高真空电弧泵及其抽气机组

技术领域

本发明属于真空获得技术领域，尤其涉及一种高真空电弧泵及其抽气机组。

背景技术

专利201210170072.1（一种抽气系统及工艺）

专利201310241954.7（真空炉抽气系统及其抽气工艺）

专利201310242244.6（蒸发镀膜设备及其抽气工艺）

专利201310241939.2（等离子体镀膜设备及其抽气工艺）

以上四件专利提出了一种利用弧光放电实现化学吸附抽气的电弧泵（通常采用金属钛作吸附物质），及其抽气机组、抽气工艺和典型应用。该电弧钛泵具有抽速大（容易获得几万L/s大抽速），能耗低（约为传统扩散泵的1/3），启动迅速（几秒~几分钟），无油蒸汽污染，显著提高真空产品质量等优点。然而，该电弧钛泵存在如下缺点：

1. 压强≤10-2 Pa区段，空间气体分子的密度很低，电子与气体分子发生碰撞、电离几率很小，无法维持弧光放电。

2. 电弧钛泵的钛靶发出的部分电子会绕到钛靶后侧，流入固定电弧泵基座的泵壳面板上，泵壳面板上通常安装多个电弧泵基座，因此，难以实现有效冷却，导致产生局部升温，释放出大量解吸气体，降低了电弧钛泵的抽气效率和极限真空。

3. 阴极靶接近耗尽时，若不及时更换新靶，电弧会烧穿电弧泵基座的冷却水套，导致生产事故。

上述缺点，限制了电弧泵的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能拓展高真空运行范围、提高极限真空、使用更可靠的高真空电弧泵。

本发明是这样实现的，一种高真空电弧泵，包括泵壳和电源，所述泵壳上设有泵口，所述泵壳一侧的可开合的面板上固设有基座，所述基座与所述面板绝缘，所述基座与所述电源负极电连接，所述基座内侧端与阴极靶固定连接，所述电源正极与所述泵壳电连接，所述泵壳内还设有位于所述阴极靶和所述面板之间的金属挡板，所述金属挡板与周围部件绝缘。

进一步地，所述阴极靶与基座之间设有材质特征光谱与所述阴极靶的特征光谱相异的导热薄层。

优选地，所述导热薄层的材料为铁或铜，所述导热薄层的厚度为0.5~2mm。

优选地，所述阴极靶的材料为钛。

进一步地，所述阴极靶中掺入有其它材料，所述其它材料为镁、铝、锌、钙或其中任意至少两种的混合，所述其它材料在所述阴极靶中的重量百分比为0.5~80%。

本发明还提供了一种高真空电弧泵机组，包括真空室，所述真空室分别连接有粗抽泵、牵引分子泵以及如前所述的高真空电弧泵；

所述真空室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述真空室通过第二真空阀与所述牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述真空室依次经挡尘板、第四真空阀与所述高真空电弧泵连接，所述真空室还分别连接有放气阀和真空规。

本发明还提供了一种高真空电弧泵机组，包括真空室，所述真空室分别连接有粗抽泵、牵引分子泵以及如前所述的高真空电弧泵；

所述真空室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述真空室通过第二真空阀与所述牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述真空室依次经第四真空阀、挡尘板与所述高真空电弧泵连接，所述真空室还分别连接有放气阀和真空规。

本发明还提供了一种深冷高真空电弧泵机组，包括真空室，所述真空室分别连接有深冷泵、粗抽泵、牵引分子泵以及如前所述的高真空电弧泵；

所述真空室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述真空室直接或通过第二真空阀分别与所述深冷泵和牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述真空室经挡尘板和第四真空阀与所述高真空电弧泵连接，所述真空室还分别连接有放气阀和真空规。

本发明还提供了一种深冷电弧泵蒸发镀膜机组，包括镀膜室，所述镀膜室分别连接有粗抽泵、牵引分子泵以及如前所述的高真空电弧泵；

所述镀膜室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述镀膜室通过第二真空阀分别与深冷泵和所述牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述镀膜室依次经挡尘板、第四真空阀与所述高真空电弧泵连接，所述镀膜室还分别连接有放气阀和真空规。

本发明的优点如下：

（1）本发明提供的电弧泵极限真空高，高真空运行范围比传统电弧泵提高100倍以上。

（2）本发明提供的电弧泵运行可靠，能在阴极靶耗尽时，发出预警信号，避免电弧泵基座发生冷却水套烧穿事故。

（3）本发明提供的电弧泵还具有巨大的瞬时抽速和瞬时抽气流量。

（4）本发明提供的高真空电弧泵机组可取代目前广泛使用的高能耗、高油蒸汽污染的大型扩散泵+罗茨泵机组，节省抽气能耗80%，消除油蒸汽污染，提高真空产品质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的高真空电弧泵的示意图；

图2是本发明实施例二提供的高真空电弧泵机组的示意图；

图3是本发明实施例三提供的深冷高真空电弧泵机组的示意图；

图4是本发明实施例四提供的高真空蒸发镀膜机组的示意图；

图5是本发明实施例五提供的深冷电弧泵蒸发镀膜机组的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一高真空电弧泵

如图1所示，本发明实施例一提供的一种高真空电弧泵1，包括泵壳11，泵壳11上部开设有泵口12，泵壳11的右侧为可开合的面板13，面板13上固设有基座14，基座14与面板13之间绝缘，基座14与电源15的负极电连接，基座14上开设有冷却水套16，冷却水套16内通有冷却水实现对基座14的冷却，基座14的内侧端与阴极靶17固定连接，电源15正极与泵壳11电连接，泵壳11内还设有位于阴极靶17和面板13之间的金属挡板18，金属挡板18优选不锈钢或铝，金属挡板18与周围部件绝缘。

由于阴极靶17和面板13之间设有金属挡板18，金属挡板18可以阻止阴极靶17发出的电子流入面板13，因此，面板13的温度不会升高，面板13不需要水冷，不再发生吸附气体大量解吸的现象。阴极靶17发出的电子流会流入金属挡板18，但金属挡板18与周围部件绝缘，流入金属挡板18的电子无法离开，金属挡板18会产生负电压，阻止后续电子继续流入，因此，金属挡板18的温度也不会升高。

所述阴极靶17采用能与气体产生化学反应、生成固相物质（即能获得化学吸附抽气）的材料，阴极靶17的材料优选钛，阴极靶17还掺入在高温下具有较高蒸汽压并且也具有部分抽气作用的其它材料，该金属材料优选镁、铝、鋅、钙或其中任意至少两种的混合，该金属材料在阴极靶17中的重量百分比为0.5~80%。

由于阴极靶17中掺入高蒸汽压金属材料，弧光放电时，掺入金属材料与钛原子同时蒸散出来，在阴极靶17的表面形成较高压强（＞0.1Pa）的金属蒸汽薄层，当泵壳11内压强下降，无法维持弧光放电时，利用该金属蒸汽薄层，维持弧光放电继续进行，从而大幅拓展电弧泵1的高真空运行范围。由于所述掺入金属材料在室温下的蒸汽压均小于10^-9 Pa，因此，不会影响电弧泵1的极限压强，实测结果表明，本实施例能在≤10^-4Pa的高真空区段稳定运行。另外，由于所述掺入金属材料在高温下也能抽除O₂、H₂O等气体，因此，本实施例的阴极靶17掺入上述金属材料后，抽速未有明显下降。另外，由于所述掺入金属材料的价格比较低廉，还能降低阴极靶17的成本，降低本实施例的运行费用。

进一步地，所述阴极靶17和基座14之间还设有一材质的特征光谱与阴极靶17的特征光谱相异的导热薄层19，导热薄层19的材料优选铁或铜，导热薄层19的厚度优选0.5~2mm。当电弧泵1的阴极靶17耗尽时，导热薄层19的原子开始蒸散，弧光放电的色泽会发生相应变化，警示阴极靶17耗尽，需及时更换新靶，从而，有效避免冷却水套16烧穿事故。

进一步地，所述泵壳11的外壁除面板19之外，还设有水冷通道110，水冷通道110内通有冷却水，用于对泵壳11进行冷却。

本实施例一提供的电弧泵1可用于高真空电弧泵机组、深冷高真空电弧泵机组、高真空设备（例如高真空蒸发镀膜机组、钎焊炉、熔炼炉、烧结炉、外延炉、热处理和脱羟炉等）、深冷高真空设备（例如深冷电弧泵蒸发镀膜机组、钎焊炉、熔炼炉、烧结炉、外延炉、热处理和脱羟炉等）。

实施例二高真空电弧泵机组

如图2所示，本发明实施例二提供的一种高真空电弧泵机组，包括真空室21，真空室21分别连接有粗抽泵22、牵引分子泵23以及如实施例一所述的高真空电弧泵1；

具体地，真空室21通过第一真空阀24与粗抽泵22连接，真空室21通过第二真空阀25与牵引分子泵23连接，牵引分子泵23通过第三真空阀26与前级泵27连接，真空室21依次经挡尘板28、第四真空阀29与高真空电弧泵1连接，挡尘板28优选静电挡尘板，真空室21还分别连接有放气阀210和真空规211。

其中，电弧泵1主要用于抽除精抽阶段的活性气体，牵引分子泵23用于抽除精抽阶段的惰性气体和中真空阶段的抽气，粗抽泵22仅用于粗抽阶段的抽气，运行时间仅占总抽气时间的1/10。

本实施例二的高真空电弧泵机组的抽气工艺，包括如下步骤：

（1）粗抽阶段：由粗抽泵抽22气，将真空室21压强从大气压抽至约10² Pa，之后不再运行；

（2）中真空阶段：由牵引分子泵23+前级泵27抽气，将真空室21压强由10² Pa抽至约0.1 Pa；

（3）精抽阶段：由电弧泵1+牵引分子泵23+前级泵27抽气，将真空室21压强由0.1Pa抽至高真空。

本实施例二提供的高真空电弧泵机组，可取代传统大型扩散泵+罗茨泵+粗抽泵机组（简称扩散泵机组），获得优于10^-4Pa的高真空，节省抽气能耗80%以上，降低运行成本60%以上，并能消除油蒸汽污染，提高真空产品质量。

实施例三深冷高真空电弧泵机组

如图3所示，本实施例三提供了一种深冷高真空电弧泵机组，包括真空室31，真空室31分别连接有粗抽泵32、牵引分子泵33以及如实施例一所述的高真空电弧泵1；

具体地，真空室31通过第一真空阀34与粗抽泵32连接，真空室31直接或通过第二真空阀35分别与深冷泵36和牵引分子泵33连接，牵引分子泵33通过第三真空阀37与前级泵38连接，真空室31分别通过挡尘板39和第四真空阀310与高真空电弧泵1连接，真空室31还分别连接有放气阀311和真空规312。

其中，深冷泵36用于抽除中、高真空的可凝性气体，电弧泵1主要用于抽除精抽阶段的活性气体，牵引分子泵33用于抽除精抽阶段的惰性气体和中真空阶段的抽气，粗抽泵32仅用于粗抽阶段的抽气，运行时间仅占总抽气时间的1/5。

本发明实施例三的深冷电弧泵机组的抽气工艺，包括如下步骤：

（1）粗抽阶段：由粗抽泵32抽气，将真空室31压强从大气压抽至约10² Pa；

（2）中真空阶段：由牵引分子泵33+前级泵38+深冷泵36抽气，或者由牵引分子泵33+深冷泵36抽气，将真空室31压强由约10² Pa抽至约0.1 Pa；

（3）精抽阶段：由电弧泵1+前级泵38+牵引分子泵33+深冷泵36抽气，或者由电弧泵1+牵引分子泵33+深冷泵36抽气，将真空室31压强由约0.1 Pa抽至高真空。

进一步地，在电弧泵1运行前，提前0.5~5min关闭与电弧泵1连接的第四真空阀310，并开启电弧泵1，等到积聚了较多的活性钛膜后，再打开第四真空阀310开始抽气，获得巨大的瞬时抽速和抽气流量。

本实施例三提供的深冷高真空电弧泵机组，抽气效率很高，抽气时间约为实施例二所述的高真空电弧泵机组的1/2。

实施例四高真空蒸发镀膜机组

如图4所示，本发明实施例四提供的一种高真空蒸发镀膜机组，包括镀膜室41，镀膜室41分别连接有粗抽泵42、牵引分子泵43以及如实施例一所述的高真空电弧泵1；

具体地，镀膜室41通过第一真空阀44与粗抽泵42连接，镀膜室41通过第二真空阀45与牵引分子泵43连接，牵引分子泵43通过第三真空阀46与前级泵47连接，镀膜室41依次经挡尘板48、第四真空阀49与高真空电弧泵1连接，挡尘板48优选静电挡尘板，镀膜室41还分别连接有放气阀410和真空规411。

其中，电弧泵1主要用于抽除精抽阶段的活性气体，牵引分子泵43用于抽除精抽阶段的惰性气体和中真空阶段的抽气，粗抽泵42仅用于粗抽阶段的抽气，运行时间仅占总抽气时间的1/10。

其中，粗抽泵42仅用于粗抽阶段的抽气，电弧泵1主要用于精抽阶段的抽气，牵引分子泵43和前级泵47用于中真空阶段以及精抽阶段的抽气。

具体地，本发明实施例四的高真空蒸发镀膜机组的抽气工艺包括如下步骤：

（1）准备阶段：向镀膜室41内装入工件，关闭镀膜室41和所有真空阀，依次开启前级泵47、第三真空阀46和牵引分子泵43，牵引分子泵43处于待机状态；

（2）启动粗抽泵42，打开第一真空阀44，镀膜室41由粗抽泵42抽气；

（3）当镀膜室41的压强降至120 Pa，打开第四真空阀49，粗抽泵42同时对电弧泵1抽气；

（4）当镀膜室41压强降至100 Pa时，依次关闭第一真空阀44、粗抽泵42，打开第二真空阀45，镀膜室41由牵引分子泵43抽气；

（5）当镀膜室41压强降至0.15Pa时，关闭第四真空阀49，开启电弧泵1；

（6）当镀膜室41压强降至0.1Pa时，打开第四真空阀49，镀膜室41由电弧泵1+牵引分子泵43抽气；

（7）当镀膜室41压强降至镀膜所需的真空度（例如10^-3 Pa）时，开始镀膜常规运行操作；

（8）当镀膜常规运行操作结束，先后关闭第四真空阀49和第二真空阀45，关闭电弧泵1，然后打开放气阀410放气，向镀膜室41注入大气，打开镀膜室41，取出工件，完成镀膜运行周期。

本实施例四提供的高真空蒸发镀膜机组，与传统扩散泵机组的真空镀膜设备相比，节省抽气能耗80%，显著提高产品质量，经济效益显著。

实施例五深冷电弧泵蒸发镀膜机组

如图5所示，本发明实施例五提供的一种深冷电弧泵蒸发镀膜机组，包括镀膜室51，镀膜室51分别连接有粗抽泵52、牵引分子泵53以及如实施例一所述的高真空电弧泵1；

具体地，镀膜室51通过第一真空阀54与粗抽泵52连接，镀膜室51通过第二真空阀55分别与深冷泵56和牵引分子泵53连接，深冷泵56用于抽除可凝性气体，牵引分子泵53通过第三真空阀57与前级泵58连接，镀膜室51分别依次经挡尘板59、第四真空阀510与高真空电弧泵1连接，镀膜室51还分别连接有放气阀511和真空规512。

其中，粗抽泵52仅用于粗抽阶段的抽气，电弧泵1主要用于精抽阶段的抽气，牵引分子泵53和前级泵58用于中真空阶段以及精抽阶段的抽气。

本发明实施例五的深冷电弧泵蒸发镀膜机组的抽气工艺，包括如下步骤：

（1）粗抽阶段：由粗抽泵52抽气，将镀膜室51压强从大气压抽至10⁵~100 Pa；

（2）中真空阶段：由牵引分子泵53+前级泵58+深冷泵56抽气，将镀膜室51压强由10⁵~100 Pa抽至100~0.1 Pa；

（3）精抽阶段：由牵引分子泵53+前级泵58+深冷泵56+电弧泵1抽气，将镀膜室51压强由100~0.1 Pa抽至0. 1 ~5×10^-2Pa。

具体地，本发明实施例五的深冷电弧泵蒸发镀膜机组的抽气工艺包括如下步骤：

（1）准备阶段：向镀膜室51内装入待镀工件，关闭镀膜室51和所有真空阀，依次开启前级泵58、第三真空阀57和牵引分子泵53和深冷泵56，牵引分子泵53和深冷泵56处于待机状态；

（2）启动粗抽泵52，打开第一真空阀54，镀膜室51由粗抽泵52抽气；

（3）当镀膜室51的压强降至1000 Pa，打开第四真空阀510，粗抽泵52同时对电弧泵1抽气；

（4）当镀膜室51压强降至100 Pa时，依次关闭第一真空阀54、粗抽泵52，打开第二真空阀55，镀膜室51由牵引分子泵53+深冷泵56抽气；

（5）当镀膜室51压强降至0.15Pa时，关闭第四真空阀510，开启电弧泵1；

（6）镀膜室51压强降至0.1Pa时，打开第四真空阀510，镀膜室51由电弧泵1+牵引分子泵53+深冷泵56抽气；

（7）当镀膜室51压强降至蒸发镀膜所需的真空度（例如5×10^-2 Pa）时，开始预熔，镀膜；

（8）镀膜结束，冷却约1分钟，先后关闭第四真空阀510和第二真空阀55，关闭电弧泵1，然后打开放气阀511放气，向镀膜室51注入大气，打开镀膜室51，取出已镀工件，完成镀膜周期。

本实施例五提供的深冷电弧泵蒸发镀膜机组，采用深冷泵56抽除中、高真空的可凝气体，采用电弧泵1抽除高真空的活性气体，抽气效率显著提高，与传统扩散泵蒸发镀膜设备相比，节省抽气能耗高达80%，显著提高产品真空镀膜质量，还能提高生产效率约一倍，而且，相同产能的设备费用还略有下降，经济效益显著。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高真空电弧泵，包括泵壳和电源，所述泵壳上设有泵口，所述泵壳一侧的可开合的面板上固设有基座，所述基座与所述面板绝缘，所述基座与所述电源负极电连接，所述基座内侧端与阴极靶固定连接，所述电源正极与所述泵壳电连接，其特征在于，所述泵壳内还设有位于所述阴极靶和所述面板之间的金属挡板，所述金属挡板与周围部件绝缘。

2.如权利要求1所述的高真空电弧泵，其特征在于，所述阴极靶与基座之间设有材质特征光谱与所述阴极靶的特征光谱相异的导热薄层。

3.如权利要求2所述的高真空电弧泵，其特征在于，所述导热薄层的材料为铁或铜，所述导热薄层的厚度为0.5~2mm。

4.如权利要求1所述的高真空电弧泵，其特征在于，所述阴极靶的材料为钛。

5.如权利要求1~4中任一项所述的高真空电弧泵，其特征在于，所述阴极靶中掺入有其它材料，所述其它材料为镁、铝、锌、钙或其中任意至少两种的混合，所述其它材料在所述阴极靶中的重量百分比为0.5~80%。

6.一种高真空电弧泵机组，包括真空室，其特征在于，所述真空室分别连接有粗抽泵、牵引分子泵以及如权利要求1~5中任一项所述的高真空电弧泵；

所述真空室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述真空室通过第二真空阀与所述牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述真空室依次经挡尘板、第四真空阀与所述高真空电弧泵连接，所述真空室还分别连接有放气阀和真空规。

7.一种深冷高真空电弧泵机组，包括真空室，其特征在于，所述真空室分别连接有深冷泵、粗抽泵、牵引分子泵以及如权利要求1~5中任一项所述的高真空电弧泵；

所述真空室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述真空室直接或通过第二真空阀分别与所述深冷泵和牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述真空室经挡尘板和第四真空阀与所述高真空电弧泵连接，所述真空室还分别连接有放气阀和真空规。

8.一种高真空蒸发镀膜机组，包括镀膜室，其特征在于，所述镀膜室分别连接有粗抽泵、牵引分子泵以及如权利要求1~5中任一项所述的高真空电弧泵；

所述镀膜室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述镀膜室通过第二真空阀与所述牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述镀膜室经挡尘板和第四真空阀与所述高真空电弧泵连接，所述镀膜室还分别连接有放气阀和真空规。

9.一种深冷电弧泵蒸发镀膜机组，包括镀膜室，其特征在于，所述镀膜室分别连接有粗抽泵、牵引分子泵以及如权利要求1~5中任一项所述的高真空电弧泵；

所述镀膜室通过第一真空阀与所述粗抽泵连接，所述镀膜室通过第二真空阀分别与深冷泵和所述牵引分子泵连接，所述牵引分子泵通过第三真空阀与前级泵连接，所述镀膜室依次经挡尘板、第四真空阀与所述高真空电弧泵连接，所述镀膜室还分别连接有放气阀和真空规。