真空室的结构与性能研究

丁秀芳

（青岛环球集团股份有限公司，山东 青岛 266400）

真空室的结构与性能研究

丁秀芳

（青岛环球集团股份有限公司，山东 青岛 266400）

简单阐述镀膜真空室的主要结构、性能以及在设计制作中的技术点，深入探讨了关键的几个新型结构。

镀膜；结构；新型

近几年来，随着国家有关建筑节能政策方针的大力实施和玻璃镀膜工艺的快速发展，大面积镀膜技术被广泛应用到玻璃深加工行业。目前，最常见的玻璃镜板的成镜工艺有化学镀银镜和真空镀铝镜两种。化学镀银镜的生产过程是硝酸银和氨溶液还原反应的过程，由于各种因素的影响，银的转化率较低，最高也只能达到85%左右，造成大量贵金属银的浪费。另外化学镀银镜的反应过程中，产生了大量的废气及重金属，这不仅造成了环境的污染，废银的收集和废水废气的处理也增加了大量的人力物力。因此银镜的价格居高不下，销售市场受到影响。真空镀铝镜是目前国际上普遍采用的Low-E玻璃镀膜工艺，铝镜生产因其节约了大量的贵金属白银，生产过程中减少了重金属的排放，相对银镜更节能，更环保，且生产效率高，价格较低，镜片质量可媲美银镜，因此近几年来国内市场铝镜逐渐走俏，并远销东南亚等地区。随着真空镀膜技术的不断发展，从化学镀银镜到真空镀铝镜是制镜行业在工艺方面的一个新突破。

1 真空室的工作原理

真空室采用直流磁控溅射镀膜技术，其制备薄膜的原理是：在真空室充入压强0.1～10Pa的惰性气体Ar的同时，在阴极靶材下面放置强力磁铁。在高压作用下，电子在电场的作用下加速飞向基片，在此过程中电子与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，二次电子受到磁场和电场作用，围绕靶面作圆周运动，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。因而具有沉积速率高、基片沉积温度低、成膜粘附性好、易控制、成本低、能实现大面积制膜的优点，成为当今工业化生产中研究最多、最成熟、应用最广的一项成熟技术，也是薄膜制备中最常用的方法。

2 真空室的技术关键及新型结构

磁控溅射铝镜生产线，是近几年来逐渐发展起来的新型装备，其将各种规格的玻璃基板进行表面清洗烘干后，在真空镀膜室里采用磁控溅射镀膜的方式，镀制高质量铝膜，后经表面淋漆等工艺处理，成为高档铝镜。真空室是磁控溅射铝镜生产线的核心配置，也是铝镜镀膜工序的主要设备。真空室的规格和配置是根据可镀镜板的最大尺寸和生产节拍来确定，目前最常见的配置可生产3660mm×2440mm镜板，同时每个节拍可生产2440mm×1220mm镜板两片，最快的生产节拍可达到36s。为了提高镀镜质量和生产效率，目前的真空室通常分为9个室，分别是前预抽室、前粗抽室、前精抽室、镀膜室（3个室）、后精抽室、后粗抽室、后预抽室。

真空室实际上就是由轧制金属板材焊接而成的多个相对密封的腔体，内部有传送辊道，每个真空室之间的连接处以及与外界大气的入口处都有锁板装置进行密封隔离。外部配置真空机组，滑阀泵对粗抽室进行预抽，并获得真空室内部的一个真空度，罗茨泵和扩散泵获得并维持镀膜室的真空度。真空室一般是九室八锁，除四、五、六室相通外，其他几个室相互之间是相对密封，仅在玻璃通过时真空锁才瞬间打开，通过后瞬间关闭，并与外界是完全隔离。真空室的密封性是控制真空度的关键，也是控制镀膜质量的关键。真空系统维持的是一个相对的真空度，镀膜时真空度要求达到5×10-3Pa，漏率应低于2.5Pa/h。真空度的维持不仅跟真空泵的性能、抽气能力有关系，同时真空系统内部零部件材料的材质和表面是否存在大的放气量，焊缝处以及安装接合处是否存在漏气和放气现象，这些都密切关系到真空系统真空度的维持。因此在真空室设计时零部件材料的选用，真空系统抽速的计算和真空泵的选用都非常关键。同时对加工过程中零部件的表面质量，焊接过程中的焊接工艺、焊缝质量，真空室内部腔体表面的平滑度也都有一定的要求。

2.1 真空室的焊接

真空室的焊接过程是至关重要的一个工序，为了提高真空室的密封性，应尽可能地采用氩弧焊和手工电弧焊等焊接设备进行焊接，并尽量保证无漏焊、虚焊、气孔、缩松、夹渣等焊接缺陷，减少漏点的数量。焊接前应做好焊前的准备工作，例如将焊条烘干除湿，板材内表面抛光去氧化皮，校直并保持平整，焊接区域进行卫生清理，确保板材焊缝处保持干燥且无油污、铁锈等杂质等等，来保证焊缝的密实性，减少焊接补焊的几率。焊接时，应合理安排内外焊缝的相对位置，内外焊缝最好能交错分布，这样方便真空检漏，并应尽量减少焊缝的数量，焊缝长度也不能太长，否则检漏会增加难度。为了减少翻孔和漏气量，真空室在结构设计中应缩短焊缝的总长度，并避免采用十字交叉的焊缝结构。腔体上应尽量减少开孔，需要开孔时，应最大限度地避免在焊缝上开孔。

2.2 真空室的检漏

真空室在焊接工序完成后，每条焊缝应逐条进行初步检漏。最简单的一种办法就是针剂染色法，这种办法简单有效，在焊接的同时可以进行，能够找出大的漏点，每个漏点应准确找到漏孔的位置，进行补焊。然后组装真空系统进行抽真空检漏，组装时应确保真空室内部已搞好真空卫生，坚决不允许有油污、灰尘存在，系统内表面应保持清洁、干燥，必要时还要在真空条件下加热烘烤去气，以加速去气过程。真空系统要求的极限压力达到3×10-3Pa时，升压率应低于1Pa/h。如果真空室进行长时间抽气后仍然达不到要求的真空度，首先应确保真空泵和真空机组工作是否良好。排除了上述问题，应分析真空系统是否存在大的漏点或者同时存在多个漏点。检测上述问题的最简单最常用的方法就是静态升压法，真空系统达到一定真空度后，关掉阀门，将真空室与真空机组隔开，采用适当的真空计，每隔一定时间测量容器的压强，通过压强曲线来分析是漏气还是放气。氮质谱检漏仪是比较专业的、灵敏度很高的检漏设备，能够检出很小的漏孔，通常被应用于真空系统的最终检验。

2.3 新型粗抽室结构

镀膜工序除抽真空的时间，其他动作占用的时间是固定不变的。因此，抽真空时间的长短决定了生产节拍。为大幅度缩短抽真空的时间，提高生产效率，真空室的结构采用了阶梯式设计。粗抽室的盖板为下凹型，传动轴之间填充方管，有效地减少了粗抽真空室空气所占的实际容积，尽量地减小了粗抽的空间，从而大幅度地缩短了抽真空的时间。同时，前、后真空室每个生产节拍均需抽真空1次、破真空恢复大气压1次，玻璃板才能进、出真空镀膜室，完成连续生产，因此，随着真空室容积的减少，破真空恢复大气压所需的时间也少了，从而大幅度缩短了工作时间，提高了生产效率。（注：粗抽真空所需要的时间与真空室容积成正比，真空室容积越小，抽气时间也就越短）。

2.4 新型破真空充气系统

真空镀膜室破真空恢复大气压时，经充气阀充入的气流如果直接进入真空室，气流速度很快、冲击力大，容易造成玻璃板的破碎，从而导致整条生产线停机，影响正产生产。新型破真空充气系统在设计上采用双层槽式分流结构，外分流槽焊在充气口上，内、外分流槽的小孔互相错开，防止气流直接冲击。内、外分流槽端板分别焊在内、外分流槽的两端。破真空充气时，强烈的气流从充气阀进入，撞到内分流槽底板后向四周转向分散，以较慢的流速经内分流槽各小孔流入内、外分流槽之间，最后以缓慢的流速经外分流槽各小孔流入真空室中。由于各后级充气孔均比相应的前级充气孔数量多、面积大，故原先强烈的充气气流被分割为多股低速气流，冲击力大大降低，不会对玻璃造成损坏。

2.5 磁控溅射器件

溅射器件系统是真空镀膜室的关键部分，用来实现把靶材沉积到玻璃基片上。其性能关系到沉积速率、薄膜均匀性、溅射稳定性和靶材的利用率等关键问题。目前国内的溅射靶采用阴极弧电源进行沉积，所以阴极的设计最为关键。新型溅射靶采用旋转式同轴工作方式。同轴式是在把多段小条形永磁铁平行靶轴安装于基体上，两级磁力线闭合于靶材表面，增加了离子与靶材的碰撞几率，提高了溅射率。旋转式是磁控靶旋转而磁铁不转，溅射时形成若干与靶轴平行的电火花，形成条形辉光放射区域。旋转式磁控靶不仅提高了靶材的利用率，而且溅射均匀。旋转靶在溅射过程中靶材表面会产生大量的热，使靶体温度升高，超出永磁铁的工作温度后会导致永磁铁明显退磁，从而影响磁场的分布，最终导致镀膜出现了黑斑、黑边等质量问题。因此新型磁控靶基体配置循环水冷却，冷却水通过水管注入冷却管内，带走基体内壁和磁铁组件的热量，并经冷却塔冷却后循环使用。

3 结语

随着国家相关政策的颁布以及东南亚地区等市场需求的日益增加，镀膜玻璃已进入大规模生产模式，市场占有率逐年增多，因此给镀膜设备的整体性能、智能化模式、高效能等提出了新的要求。技术人员应该尽快地掌握新技术新工艺，来提高设备的自动化程度以及综合性能，保证市场的需求。

TF769

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1671-0711（2017）05（下）-0079-02