高真空蒸發(fā)系統(tǒng)檢漏技術(shù)淺析

宋健，何方，畢飛

(天津恒電空間電源有限公司，天津300384)

高真空蒸發(fā)系統(tǒng)檢漏技術(shù)淺析

宋健，何方，畢飛

(天津恒電空間電源有限公司，天津300384)

介紹了幾種常見的真空系統(tǒng)檢漏方法，著重探討了氦質(zhì)譜檢漏儀的原理和結(jié)構(gòu)，分析了檢漏儀的檢漏過程，能夠幫助工程人員快速有效地尋找到漏點(diǎn)，并給出了常見漏點(diǎn)的解決辦法。為真空蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)備的檢漏提供了有意義的借鑒，為設(shè)備維護(hù)人員提供了參考和幫助。

真空檢漏；氦質(zhì)譜儀檢漏法；高真空蒸發(fā)系統(tǒng)

隨著科技的發(fā)展，真空技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣。半導(dǎo)體、電子、醫(yī)療、食品等行業(yè)都離不開真空技術(shù)，其中尤以高真空蒸發(fā)設(shè)備的應(yīng)用最為廣泛。高真空蒸發(fā)設(shè)備在使用過程中比較常見的問題是真空漏率隨著使用時間延長而逐漸升高，這其中有一些是人為非常規(guī)操作導(dǎo)致的，但更多的是設(shè)備老化、零部件缺乏保養(yǎng)所引起的故障。如何在真空設(shè)備中找出真空組件存在的漏孔，并采取相應(yīng)措施，使每臺真空設(shè)備的漏率達(dá)到技術(shù)要求，是擺在真空檢漏技術(shù)人員面前的迫切任務(wù)[1]。

本文以氦質(zhì)譜儀檢漏法為例，對高真空蒸發(fā)系統(tǒng)檢漏技術(shù)進(jìn)行了分析。氦質(zhì)譜檢漏儀是目前國際公認(rèn)的應(yīng)用最廣、靈敏度很高的一種檢漏儀器，其中用的最多的是90°和180°磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀；近年來，四極質(zhì)譜計(jì)在檢漏中也得到了較多的應(yīng)用。

1 氦質(zhì)譜儀檢漏法

1.1 氦質(zhì)譜檢漏儀工作原理

本文采用ULVAC公司生產(chǎn)的氦質(zhì)譜檢漏儀HELIOT_301。此檢漏儀主要由真空系統(tǒng)(分子泵、真空規(guī)、捕集器、節(jié)流閥等)，質(zhì)譜室(離子源、分析器、收集器等)，電氣部分(饋電、控制、放大等)組成。

當(dāng)一個正離子以速度進(jìn)入均勻磁場后，如果它的運(yùn)動速度的方向和磁場的方向相垂直，則它的運(yùn)動軌跡為圓，如圖1所示。當(dāng)速度和磁場強(qiáng)度一定時，不同質(zhì)荷比/的離子都有相應(yīng)的運(yùn)動半徑。氦質(zhì)譜檢漏儀便是利用這種原理，使不同質(zhì)量的氣體分子變成離子后，在場中彼此分開，并且使同質(zhì)量的離子在場中聚在一起。儀器僅僅使氦離子通過一個擋板上的狹縫而被接收，形成離子流，并且由測量儀器指示出來，而其他離子則被擋板擋掉，無法到達(dá)收集極上。檢漏時，外界噴吹的氦氣通過漏孔進(jìn)入系統(tǒng)后，測量儀器立即靈敏地反映出來。

圖1 帶電粒子在磁場中的運(yùn)動軌跡

1.2 檢漏儀使用的條件

高真空蒸發(fā)系統(tǒng)在連續(xù)正常的使用過程中，出現(xiàn)抽低真空時間變長或者高真空度一直抽不到工藝要求時，工程人員首先檢查前級泵、主泵是否異常，看是否由于泵本身的性能下降而導(dǎo)致真空度達(dá)不到工藝要求。一些常見的故障比如機(jī)械泵、擴(kuò)散泵油位偏低，擴(kuò)散泵冷卻效果不好，低溫泵第一級冷頭在65 K以上、第二級冷頭在12 K以上，會明顯減低泵的性能，使真空度達(dá)不到要求。如果真空泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)而真空室仍然達(dá)不到工藝要求的真空度，一般認(rèn)為真空系統(tǒng)出現(xiàn)漏點(diǎn)，需要對其進(jìn)行檢漏。

值得一提的是，高真空蒸發(fā)系統(tǒng)真空度上不去的原因不一定是設(shè)備漏氣造成的，還有其他方面的原因，比如真空室內(nèi)電機(jī)的磁流體故障，蒸發(fā)材料和真空室內(nèi)壁雜質(zhì)偏多，離子真空計(jì)損壞，甚至是潔凈間環(huán)境濕度過大，真空室門敞開時間過長，都有可能導(dǎo)致真空度上不去。真空檢漏只是作為最初的判定方法，其他原因還要進(jìn)一步排查。

1.3 真空檢漏的常見類型

1.3.1 機(jī)械系統(tǒng)檢漏

在檢漏過程中，最常見的漏點(diǎn)是機(jī)械密封點(diǎn)。它主要包括橡膠密封圈、金屬密封圈、真空管路連接法蘭、真空室和外部管件連接點(diǎn)。

首先給管路里充氣，把檢漏儀按照要求接好，檢漏儀檢測點(diǎn)最好接在前級真空管路上，如圖2所示；其次是考慮檢漏點(diǎn)的檢漏順序。一般來說，經(jīng)常處于活動的真空部分是最先考慮的，比如真空室門的密封膠圈、坩堝旋轉(zhuǎn)軸的密封膠圈、坩堝擋板的軸密封膠圈、Dome軸的密封膠圈，這些地方因?yàn)榻?jīng)常處于運(yùn)動狀態(tài)，相應(yīng)的密封圈老化和損壞的周期要比其他部分快一點(diǎn)。檢漏時需要特別注意這些地方，要一個點(diǎn)一個點(diǎn)耐心地檢查。

圖2 氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏示意圖

如果檢查這些地方?jīng)]發(fā)現(xiàn)有什么明顯的漏點(diǎn)，就需要考慮真空系統(tǒng)的那些靜態(tài)接觸點(diǎn)，比如真空規(guī)、離子真空計(jì)處、真空室內(nèi)的加熱線、電磁線圈導(dǎo)線、接地導(dǎo)線和外部導(dǎo)線連接處、真空室內(nèi)晶控探頭和外部連接處、真空管路的外接法蘭處，這些地方由于設(shè)備的長時間使用，密封膠圈被腐蝕老化，也有可能發(fā)生漏氣現(xiàn)象。

通常情況下，對設(shè)備機(jī)械部分的常見漏點(diǎn)都檢查過后，應(yīng)該能找到比較明顯的漏點(diǎn)。如果此時檢漏儀沒有反應(yīng)，要么是高真空蒸發(fā)系統(tǒng)其他部分有漏點(diǎn)，要么是機(jī)械部分的漏點(diǎn)比較小，那么就需要更加細(xì)心和耐心地尋找微漏點(diǎn)。

1.3.2 氣動系統(tǒng)檢漏

真空系統(tǒng)使用的氣體包括動力氣體(CDA)和工藝氣體(N2、O2、Ar等)。動力氣體用來驅(qū)動氣動閥門，工藝氣體用來給設(shè)備充氣或與產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)。如果動力氣體通過失效的密封膠圈進(jìn)入真空室，或者工藝氣體流量控制不穩(wěn)定，都會導(dǎo)致真空室恢復(fù)真空出現(xiàn)問題?？蒲猩a(chǎn)中就曾發(fā)生過，壓縮空氣通過晶控?fù)醢暹M(jìn)入真空室，O2流量閥門不嚴(yán)，導(dǎo)致過量O2充入真空室，使設(shè)備真空度下降。

氣體系統(tǒng)最常見的漏點(diǎn)是氣動閥門處。由于氣動閥門的氣缸是靠密封膠圈與真空系統(tǒng)接觸，這就必然會涉及到膠圈變形和老化的問題。真空抽氣過程中，要對前級閥、予抽閥接觸點(diǎn)進(jìn)行檢漏，確認(rèn)閥門外部是否有氣體進(jìn)入真空室。

1.3.3 循環(huán)水系統(tǒng)檢漏

循環(huán)冷卻水的漏點(diǎn)通常是最不容易被發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)，如果是微小漏點(diǎn)，就更難于尋找。通常的操作方法是，先檢查真空室內(nèi)部冷卻水管路的接點(diǎn)處是否有明顯的漏水或潮濕的痕跡。工程人員可以用手或?yàn)V紙檢查坩堝冷卻水密封膠圈處、離子源冷卻水接口螺母處、真空室內(nèi)壁冷卻水管接頭處等。如果這些地方都很干燥，那么就需要對冷卻水管進(jìn)行徹底的檢漏了。首先需要對冷卻水管進(jìn)行排水處理，把冷卻系統(tǒng)一路一路分別排水，然后對管路進(jìn)行N2清潔，使管路徹底干燥，最后使用檢漏儀，向管路內(nèi)充入少量He氣，進(jìn)行檢漏。有些主泵不允許工作狀態(tài)停循環(huán)水，如果這些管路有漏點(diǎn)，就需要別的辦法來檢查，必要時用排除法來判斷漏點(diǎn)。

總之，真空系統(tǒng)的漏點(diǎn)是多種多樣的，沒有絕對的真空，也就沒有絕對的密封，真空檢漏只是尋找大漏點(diǎn)，微漏點(diǎn)，對于那些不影響真空度的極微漏點(diǎn)，通常是做忽略處理。

2 鍍膜機(jī)漏氣的判定及常見漏點(diǎn)的解決辦法

2.1 最小可檢漏率

當(dāng)儀器輸出表存在本底噪聲時，將儀器調(diào)到最佳工作狀態(tài)下，純示漏氣體通過漏孔時，檢漏儀所能檢出的最小漏率，就是最小可檢漏率，一般用min表示。

最小可檢漏率是氦質(zhì)譜檢漏法最主要的性能指標(biāo)，了解其含義對檢漏工作時十分重要的。

當(dāng)前，氦質(zhì)譜檢漏儀自身都帶有滲氦型標(biāo)準(zhǔn)漏孔，它是定量測量漏率的尺度，由于這種標(biāo)準(zhǔn)漏孔穩(wěn)定可靠，所以在檢漏技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 真空系統(tǒng)漏氣的判定

按下氦質(zhì)譜檢漏儀HELIOT_301的檢測開關(guān)，屏幕顯示漏率1.0×10－9Pa·m3/s，此時向真空系統(tǒng)各檢測點(diǎn)噴少量氦氣，如果漏率升至1.0×10－8Pa·m3/s，就說明檢測點(diǎn)有微漏產(chǎn)生；當(dāng)漏率升至1.0×10－7Pa·m3/s甚至更高時，說明漏孔比較大，需要及時修補(bǔ)漏點(diǎn)。

2.3 常見漏點(diǎn)的解決辦法

對于密封橡膠膠圈的漏點(diǎn)，比如法蘭處的密封膠圈，如果短期內(nèi)沒有備件，臨時解決的辦法是涂抹真空脂，或者緊固法蘭上的螺母，看是否有法蘭松動現(xiàn)象。但是最終解決漏點(diǎn)的方法還是更換新的密封膠圈。此外需要注意的是，對于金屬型的密封圈，無論是什么原因拆卸下來，都必須更換新的密封圈，金屬易變形的特性決定了它只能一次密封有效。

3 其他常見的檢漏方法

除了氦質(zhì)譜檢漏儀法，工業(yè)上比較常見的還有氣泡檢漏法、鹵素檢漏法。

氣泡檢漏法的原理是利用漏孔兩側(cè)存在的壓差，不溶于顯示液的示漏氣體通過漏孔從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動，如果在低壓側(cè)施加適當(dāng)?shù)娘@示液體后，漏孔處將會吹起一個個氣泡，從而發(fā)現(xiàn)漏孔。

鹵素檢漏法涉及到“鹵素效應(yīng)”。當(dāng)鉑加熱到850～950℃時將產(chǎn)生正離子發(fā)射，在鹵素氣體的催化下，這種正離子發(fā)射將急劇增加。鹵素檢漏儀便是根據(jù)這種“鹵素效應(yīng)”設(shè)計(jì)的，具體使用方法和氦質(zhì)譜檢漏儀類似。

除了以上檢漏方法，還有一些不常使用的方法，比如高頻火花檢漏法、離子泵檢漏法、真空規(guī)檢漏法、聲波檢漏法。

4 結(jié)論

高真空蒸發(fā)設(shè)備的系統(tǒng)龐大，檢漏前必須仔細(xì)分析與泄漏有關(guān)的各個子系統(tǒng)的特點(diǎn)，制定檢漏方案，對所有可能的漏點(diǎn)逐一排查。

總之，檢漏技術(shù)多種多樣，哪種方法更適合設(shè)備，需要在實(shí)際應(yīng)用中視情況而定。在對真空系統(tǒng)檢漏時，不應(yīng)拘泥于一種方法，雙管齊下甚至多管齊下，才能更快地找到漏點(diǎn)，解決問題，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

[1]曹慎誠.實(shí)用真空檢漏技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)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，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樘栯姵厣a(chǎn)工藝及設(shè)備。