高真空蒸发系统检漏技术浅析

宋健，何方，毕飞

(天津恒电空间电源有限公司，天津300384)

高真空蒸发系统检漏技术浅析

宋健，何方，毕飞

(天津恒电空间电源有限公司，天津300384)

介绍了几种常见的真空系统检漏方法，着重探讨了氦质谱检漏仪的原理和结构，分析了检漏仪的检漏过程，能够帮助工程人员快速有效地寻找到漏点，并给出了常见漏点的解决办法。为真空蒸发系统设备的检漏提供了有意义的借鉴，为设备维护人员提供了参考和帮助。

真空检漏；氦质谱仪检漏法；高真空蒸发系统

随着科技的发展，真空技术应用的领域越来越广。半导体、电子、医疗、食品等行业都离不开真空技术，其中尤以高真空蒸发设备的应用最为广泛。高真空蒸发设备在使用过程中比较常见的问题是真空漏率随着使用时间延长而逐渐升高，这其中有一些是人为非常规操作导致的，但更多的是设备老化、零部件缺乏保养所引起的故障。如何在真空设备中找出真空组件存在的漏孔，并采取相应措施，使每台真空设备的漏率达到技术要求，是摆在真空检漏技术人员面前的迫切任务[1]。

本文以氦质谱仪检漏法为例，对高真空蒸发系统检漏技术进行了分析。氦质谱检漏仪是目前国际公认的应用最广、灵敏度很高的一种检漏仪器，其中用的最多的是90°和180°磁偏转质谱仪；近年来，四极质谱计在检漏中也得到了较多的应用。

1 氦质谱仪检漏法

1.1 氦质谱检漏仪工作原理

本文采用ULVAC公司生产的氦质谱检漏仪HELIOT_301。此检漏仪主要由真空系统(分子泵、真空规、捕集器、节流阀等)，质谱室(离子源、分析器、收集器等)，电气部分(馈电、控制、放大等)组成。

当一个正离子以速度进入均匀磁场后，如果它的运动速度的方向和磁场的方向相垂直，则它的运动轨迹为圆，如图1所示。当速度和磁场强度一定时，不同质荷比/的离子都有相应的运动半径。氦质谱检漏仪便是利用这种原理，使不同质量的气体分子变成离子后，在场中彼此分开，并且使同质量的离子在场中聚在一起。仪器仅仅使氦离子通过一个挡板上的狭缝而被接收，形成离子流，并且由测量仪器指示出来，而其他离子则被挡板挡掉，无法到达收集极上。检漏时，外界喷吹的氦气通过漏孔进入系统后，测量仪器立即灵敏地反映出来。

图1 带电粒子在磁场中的运动轨迹

1.2 检漏仪使用的条件

高真空蒸发系统在连续正常的使用过程中，出现抽低真空时间变长或者高真空度一直抽不到工艺要求时，工程人员首先检查前级泵、主泵是否异常，看是否由于泵本身的性能下降而导致真空度达不到工艺要求。一些常见的故障比如机械泵、扩散泵油位偏低，扩散泵冷却效果不好，低温泵第一级冷头在65 K以上、第二级冷头在12 K以上，会明显减低泵的性能，使真空度达不到要求。如果真空泵正常运转而真空室仍然达不到工艺要求的真空度，一般认为真空系统出现漏点，需要对其进行检漏。

值得一提的是，高真空蒸发系统真空度上不去的原因不一定是设备漏气造成的，还有其他方面的原因，比如真空室内电机的磁流体故障，蒸发材料和真空室内壁杂质偏多，离子真空计损坏，甚至是洁净间环境湿度过大，真空室门敞开时间过长，都有可能导致真空度上不去。真空检漏只是作为最初的判定方法，其他原因还要进一步排查。

1.3 真空检漏的常见类型

1.3.1 机械系统检漏

在检漏过程中，最常见的漏点是机械密封点。它主要包括橡胶密封圈、金属密封圈、真空管路连接法兰、真空室和外部管件连接点。

首先给管路里充气，把检漏仪按照要求接好，检漏仪检测点最好接在前级真空管路上，如图2所示；其次是考虑检漏点的检漏顺序。一般来说，经常处于活动的真空部分是最先考虑的，比如真空室门的密封胶圈、坩埚旋转轴的密封胶圈、坩埚挡板的轴密封胶圈、Dome轴的密封胶圈，这些地方因为经常处于运动状态，相应的密封圈老化和损坏的周期要比其他部分快一点。检漏时需要特别注意这些地方，要一个点一个点耐心地检查。

图2 氦质谱检漏仪检漏示意图

如果检查这些地方没发现有什么明显的漏点，就需要考虑真空系统的那些静态接触点，比如真空规、离子真空计处、真空室内的加热线、电磁线圈导线、接地导线和外部导线连接处、真空室内晶控探头和外部连接处、真空管路的外接法兰处，这些地方由于设备的长时间使用，密封胶圈被腐蚀老化，也有可能发生漏气现象。

通常情况下，对设备机械部分的常见漏点都检查过后，应该能找到比较明显的漏点。如果此时检漏仪没有反应，要么是高真空蒸发系统其他部分有漏点，要么是机械部分的漏点比较小，那么就需要更加细心和耐心地寻找微漏点。

1.3.2 气动系统检漏

真空系统使用的气体包括动力气体(CDA)和工艺气体(N2、O2、Ar等)。动力气体用来驱动气动阀门，工艺气体用来给设备充气或与产品发生反应。如果动力气体通过失效的密封胶圈进入真空室，或者工艺气体流量控制不稳定，都会导致真空室恢复真空出现问题。科研生产中就曾发生过，压缩空气通过晶控挡板进入真空室，O2流量阀门不严，导致过量O2充入真空室，使设备真空度下降。

气体系统最常见的漏点是气动阀门处。由于气动阀门的气缸是靠密封胶圈与真空系统接触，这就必然会涉及到胶圈变形和老化的问题。真空抽气过程中，要对前级阀、予抽阀接触点进行检漏，确认阀门外部是否有气体进入真空室。

1.3.3 循环水系统检漏

循环冷却水的漏点通常是最不容易被发现的漏点，如果是微小漏点，就更难于寻找。通常的操作方法是，先检查真空室内部冷却水管路的接点处是否有明显的漏水或潮湿的痕迹。工程人员可以用手或滤纸检查坩埚冷却水密封胶圈处、离子源冷却水接口螺母处、真空室内壁冷却水管接头处等。如果这些地方都很干燥，那么就需要对冷却水管进行彻底的检漏了。首先需要对冷却水管进行排水处理，把冷却系统一路一路分别排水，然后对管路进行N2清洁，使管路彻底干燥，最后使用检漏仪，向管路内充入少量He气，进行检漏。有些主泵不允许工作状态停循环水，如果这些管路有漏点，就需要别的办法来检查，必要时用排除法来判断漏点。

总之，真空系统的漏点是多种多样的，没有绝对的真空，也就没有绝对的密封，真空检漏只是寻找大漏点，微漏点，对于那些不影响真空度的极微漏点，通常是做忽略处理。

2 镀膜机漏气的判定及常见漏点的解决办法

2.1 最小可检漏率

当仪器输出表存在本底噪声时，将仪器调到最佳工作状态下，纯示漏气体通过漏孔时，检漏仪所能检出的最小漏率，就是最小可检漏率，一般用min表示。

最小可检漏率是氦质谱检漏法最主要的性能指标，了解其含义对检漏工作时十分重要的。

当前，氦质谱检漏仪自身都带有渗氦型标准漏孔，它是定量测量漏率的尺度，由于这种标准漏孔稳定可靠，所以在检漏技术领域得到了广泛的应用。

2.2 真空系统漏气的判定

按下氦质谱检漏仪HELIOT_301的检测开关，屏幕显示漏率1.0×10－9Pa·m3/s，此时向真空系统各检测点喷少量氦气，如果漏率升至1.0×10－8Pa·m3/s，就说明检测点有微漏产生；当漏率升至1.0×10－7Pa·m3/s甚至更高时，说明漏孔比较大，需要及时修补漏点。

2.3 常见漏点的解决办法

对于密封橡胶胶圈的漏点，比如法兰处的密封胶圈，如果短期内没有备件，临时解决的办法是涂抹真空脂，或者紧固法兰上的螺母，看是否有法兰松动现象。但是最终解决漏点的方法还是更换新的密封胶圈。此外需要注意的是，对于金属型的密封圈，无论是什么原因拆卸下来，都必须更换新的密封圈，金属易变形的特性决定了它只能一次密封有效。

3 其他常见的检漏方法

除了氦质谱检漏仪法，工业上比较常见的还有气泡检漏法、卤素检漏法。

气泡检漏法的原理是利用漏孔两侧存在的压差，不溶于显示液的示漏气体通过漏孔从高压侧向低压侧流动，如果在低压侧施加适当的显示液体后，漏孔处将会吹起一个个气泡，从而发现漏孔。

卤素检漏法涉及到“卤素效应”。当铂加热到850～950℃时将产生正离子发射，在卤素气体的催化下，这种正离子发射将急剧增加。卤素检漏仪便是根据这种“卤素效应”设计的，具体使用方法和氦质谱检漏仪类似。

除了以上检漏方法，还有一些不常使用的方法，比如高频火花检漏法、离子泵检漏法、真空规检漏法、声波检漏法。

4 结论

高真空蒸发设备的系统庞大，检漏前必须仔细分析与泄漏有关的各个子系统的特点，制定检漏方案，对所有可能的漏点逐一排查。

总之，检漏技术多种多样，哪种方法更适合设备，需要在实际应用中视情况而定。在对真空系统检漏时，不应拘泥于一种方法，双管齐下甚至多管齐下，才能更快地找到漏点，解决问题，保证生产的顺利进行。

[1]曹慎诚.实用真空检漏技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

Leak detection technology analysis of high vacuum evaporation system

SONG Jian,HE Fang,BI Fei

Several kinds of common vacuum system leak detection method were briefly introduced.The elements and frames of the helium mass spectrometer leak detector emphatically were discussed.The leak detection process of the leak detector was detail analyzed.Therefore,the leakage point could be quickly and efficiently found.Finally,a solution about how to deal with the common leakage point was presented.A meaning reference for the leak of the vacuum evaporation system and a good reference merit for the worker working on maintenance of the equipment were provided.

vacuum leak detection;helium mass spectrometer leak detection method;high vacuum evaporation system

TM 924

A

1002-087 X(2015)03-0644-03

2014-10-20

宋健(1986—)，男，河北省人，学士，主要研究方向为太阳电池生产工艺及设备。