磁控溅射镀膜技术

姓名：揣涛涛

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综合介绍 （课程作业） 1015221011 2010级电子科学与技术1班 1

摘要：上世纪80年代开始，磁控溅射技术得到迅猛的发展，其应用领域得到了极大的推广。现在磁控溅射技术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位，在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。正是近来市场上各方面对高质量薄膜日益增长的需要使磁控溅射不断的发展。在许多方面，磁控溅射薄膜的表现都比物理蒸发沉积制成的要好；而且在同样的功能下采用磁控溅射技术制得的能够比采用其他技术制得的要厚。因此，磁控溅射技术在许多应用领域包括制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要是影响【1】、【2】。

前言：磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷等物质,尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且重复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜【1】。

一、磁控溅射工作原理【3】：

磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。

1、溅射机理：

用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。溅射现象很早就为人们所认识，通过前人的大量实验研究，我们对这一重要物理现象得出以下几点结论:

2

(1)溅射率随入射离子能量的增加而增大;而在离子能量增加到一定程度时，由于离子注入效应，溅射率将随之减小;

(2)溅射率的大小与入射粒子的质量有关:

(3)当入射离子的能量低于某一临界值(阀值)时，不会发生溅射;

(4)溅射原子的能量比蒸发原子的能量大许多倍;

(5)入射离子的能量很低时，溅射原子角分布就不完全符合余弦分布规律。角分布还与入射离子方向有关。从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在晶体密度最大的方向。

(6)因为电子的质量很小，所以即使使用具有极高能量的电子轰击靶材也不会产生溅射现象。由于溅射是一个极为复杂的物理过程，涉及的因素很多，长期以来对于溅射机理虽然进行了很多的研究，提出过许多的理论，但都难以完善地解释溅射现象。

2、辉光放电：

辉光放电是在真空度约为一的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。

如图所示为一个直流气体

放电体系，在阴阳两极之间由

电动势为的直流电源提供电压

和电流，并以电阻作为限流电

阻。在电路中，各参数之间应

满足下述关系：

V=E-IR

使真空容器中Ar气的压

力保持一定，并逐渐提高两个

电极之间的电压。在开始时，

电极之间几乎没有电流通过，

3

因为这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。

随着电压

逐渐地升高，电

离粒子的运动

速度也随之加

快，即电流随电

压上升而增加。

当这部分电离

粒子的速度达

到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。

当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤生放电。

在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电。

在汤生放电阶段之后，气体会突然发生放电击穿现象。这时，气体开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了一定的导电能力的气体称为等离子体。此时，电路中的电流大幅度增加，同时放电电压却有所下降。这是由于这时的气体被击穿，因而气体的电阻将随着气体电离度的增加而显著下降，放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整个电极表面扩展。在这一阶段，气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。

电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，同时，辉光的亮度不断提高。当辉光区域充满了两极之间的整个空间之后，在放电电流继续增加的同时，放电电压又开始上升。上述的两个不同的辉光放电阶段常被称为正常辉光放电和异常辉光放电阶段。

异常辉光放电是 4

一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式，因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体，有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。

3、磁控溅射：

平面磁控溅射靶采用静止电磁场，磁场为曲线形。其工作原理如下图所示。电子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氢原子发生碰撞。若电子具有足够的能量(约为30eV)。时，则电离出Ar+并产生电子。电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极溅射靶并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜。二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用，以摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子e1的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内。在该区中电离出大量的Ar+用来轰击靶材，因此磁控溅射具有沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低，同时，e1逐步远离靶面。低能电子e1将如图中e3那样沿着磁力线来回振荡，待电子能量将耗尽时，在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，使基片温升较低。在磁极轴线处电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片。但是，在磁控溅射装置中，磁极轴线处离子密度很低，所以e2类电子很少，对基片温升作用不大。

磁控溅射工作原理图

5

磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动方向，束缚和延长电子的运动路径，提高电子的电离概率和有效地利用了电子的能量。因此，在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点的机理。

二、磁控溅射的应用【4】：

1、磁控溅射的优点：

（1）操作易控。镀膜过程，只要保持工作压强、电功率等溅射条件相对稳定，就能获得比较稳定的沉积速率。

（2）沉积速率高。在沉积大部分的金属薄膜，尤其是沉积高熔点的金属和氧化物薄膜时，如溅射钨、铝薄膜和反应溅射TiO2、ZrO2薄膜，具有很高的沉积率。

（3）基板低温性。相对二极溅射或者热蒸发，磁控溅射对基板加热少了，这一点对实现织物的上溅射相当有利。

（4）膜的牢固性好。溅射薄膜与基板有着极好的附着力，机械强度也得到了改善。

（5）成膜致密、均匀。溅射的薄膜聚集密度普遍提高了。从显微照片看，溅射的薄膜表面微观形貌比较精致细密，而且非常均匀。

（6）溅射的薄膜均具有优异的性能。如溅射的金属膜通常能获得良好的光学性能、电学性能及某些特殊性能。

（7）易于组织大批量生产。磁控源可以根据要求进行扩大，因此大面积镀膜是容易实现的。再加上溅射可连续工作，镀膜过程容易自动控制，因此工业上流水线作业完全成为可能。

（8）工艺环保。传统的湿法电镀会产生废液、废渣、废气，对环境造成严重的污染。不产生环境污染、生产效率高的磁控溅射镀膜法则可较好解决这一难题。

2、磁控溅射应用：

磁控溅射目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。

（1）在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉 6

积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。

（2）磁控溅射技术在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面也得到应用。在透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜，使可见光范围内平均光透过率在90%以上。

（3）在现代机械加工工业中,利用磁控溅射技术制作表面功能膜、超 硬膜,自润滑薄膜,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命。

磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。

三、总结

磁控溅射技术由于其显著的优点成为工业镀膜主要技术之一。在未来的研究中，新技术向工业领域的推广、磁控溅射技术与计算机的结合已成为一个研究方向，如何利用计算机来控制精确镀膜过程，利用计算机来模拟镀膜时的磁场、温度场、以及气流分布，必将能给溅射镀膜过程提供可靠的数据支持，也是经济有效的方法。

参考文献：

【1】薄膜科学与技术手册（上、下）. 北京：机械工业出版社，1991

【2】余东海，王成勇，成晓玲，等．磁控溅射镀膜技术的发展．真空，2009,46

【3】赵嘉学，童洪辉．磁控溅射原理的深入探讨．真空，2004

【4】赵锡钦．溅射薄膜技术的应用．电子机械工程，1999,79

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第二篇：磁控溅射镀膜技术综合介绍

一.磁控溅射电镀

上世纪80年代开始，磁控溅射技术得到迅猛的发展，其应用领域得到了极大的推广。现在磁控溅射技术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位，在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。正是近来市场上各方面对高质量薄膜日益增长的需要使磁控溅射不断的发展。在许多方面，磁控溅射薄膜的表现都比物理蒸发沉积制成的要好；而且在同样的功能下采用磁控溅射技术制得的能够比采用其他技术制得的要厚。因此，磁控溅射技术在许多应用领域包括制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要是影响。

磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷等物质,尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且重复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。

1.磁控溅射工作原理：

磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。 用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。溅射现象很早就为人们所认识，通过前人的大量实验研究，我们对这一重要物理现象得出以下几点结论:

(1)溅射率随入射离子能量的增加而增大;而在离子能量增加到一定程度时，由于离子注入效应，溅射率将随之减小;

(2)溅射率的大小与入射粒子的质量有关:

(3)当入射离子的能量低于某一临界值(阀值)时，不会发生溅射;

(4)溅射原子的能量比蒸发原子的能量大许多倍;

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(5)入射离子的能量很低时，溅射原子角分布就不完全符合余弦分布规律。角分布还与入射离子方向有关。从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在晶体密度最大的方向。

(6)因为电子的质量很小，所以即使使用具有极高能量的电子轰击靶材也不会产生溅射现象。由于溅射是一个极为复杂的物理过程，涉及的因素很多，长期以来对于溅射机理虽然进行了很多的研究，提出过许多的理论，但都难以完善地解释溅射现象。

2.辉光放电：

辉光放电是在真空度约为一的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。

如图所示为一个直流气体放电

体系，在阴阳两极之间由电动势为

的直流电源提供电压和电流，并以

电阻作为限流电阻。在电路中，各

参数之间应满足下述关系：

V=E-IR

使真空容器中Ar气的压力保持

一定，并逐渐提高两个电极之间的

电压。在开始时，电极之间几乎没

有电流通过，因为这时气体原子大

多仍处于中性状态，只有极少量的

电离粒子在电场的作用下做定向运

动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。

随着电压逐

渐地升高，电离粒

子的运动速度也

随之加快，即电流

随电压上升而增

加。当这部分电离

粒子的速度达到

饱和时，电流不再

随电压升高而增

加。此时，电流达

到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。

2

当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤生放电。

在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电。

在汤生放电阶段之后，气体会突然发生放电击穿现象。这时，气体开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了一定的导电能力的气体称为等离子体。此时，电路中的电流大幅度增加，同时放电电压却有所下降。这是由于这时的气体被击穿，因而气体的电阻将随着气体电离度的增加而显著下降，放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整个电极表面扩展。在这一阶段，气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。

电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，同时，辉光的亮度不断提高。当辉光区域充满了两极之间的整个空间之后，在放电电流继续增加的同时，放电电压又开始上升。上述的两个不同的辉光放电阶段常被称为正常辉光放电和异常辉光放电阶段。异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式，因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体，有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。

3、磁控溅射：

平面磁控溅射靶采用静止电磁场，磁场为曲线形。其工作原理如下图所示。电子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氢原子发生碰撞。若电子具有足够的能量(约为30eV)。时，则电离出Ar+并产生电子。电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极溅射靶并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜。二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用，以摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子e1的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内。在该区中电离出大量的Ar+用来轰击靶材，因此磁控溅射具有沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低，同时，e1逐步远离靶面。低能电子e1将如图中e3那样沿着磁力线来回振荡，待电子能量将耗尽时，在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，使基片温升较低。在磁极轴线处电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片。但是，在磁控溅射装置中，磁极轴线处离子密度很低，所以e2类电子很少，对基片温升作用不大。

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磁控溅射工作原理图

磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动方向，束缚和延长电子的运动路径，提高电子的电离概率和有效地利用了电子的能量。因此，在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点的机理。

二、磁控溅射的应用：

1、磁控溅射的优点：

（1）操作易控。镀膜过程，只要保持工作压强、电功率等溅射条件相对稳定，就能获得比较稳定的沉积速率。

（2）沉积速率高。在沉积大部分的金属薄膜，尤其是沉积高熔点的金属和氧化物薄膜时，如溅射钨、铝薄膜和反应溅射TiO2、ZrO2薄膜，具有很高的沉积率。

（3）基板低温性。相对二极溅射或者热蒸发，磁控溅射对基板加热少了，这一点对实现织物的上溅射相当有利。

（4）膜的牢固性好。溅射薄膜与基板有着极好的附着力，机械强度也得到了改善。

（5）成膜致密、均匀。溅射的薄膜聚集密度普遍提高了。从显微照片看，溅射的薄膜表面微观形貌比较精致细密，而且非常均匀。

（6）溅射的薄膜均具有优异的性能。如溅射的金属膜通常能获得良好的光学性能、电学性能及某些特殊性能。

（7）易于组织大批量生产。磁控源可以根据要求进行扩大，因此大面积镀膜是容

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易实现的。再加上溅射可连续工作，镀膜过程容易自动控制，因此工业上流水线作业完全成为可能。

（8）工艺环保。传统的湿法电镀会产生废液、废渣、废气，对环境造成严重的污染。不产生环境污染、生产效率高的磁控溅射镀膜法则可较好解决这一难题。

2、磁控溅射应用：

磁控溅射目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。

（1）在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。

（2）磁控溅射技术在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面也得到应用。在透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜，使可见光范围内平均光透过率在90%以上。

（3）在现代机械加工工业中,利用磁控溅射技术制作表面功能膜、超

硬膜,自润滑薄膜,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命。

磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。

三．抽真空系统

1.扩散泵中的油在真空中加热到沸腾温度（约为200度）产生大量的油蒸气，油蒸气经导流管由各级喷嘴定向高速喷出。由于扩散泵进气口附近被抽气体的分压强高于蒸气流中该气体的分压强。这样，被抽气体分子沿着蒸气方向高速运动，气体分子碰到泵壁又反射回来，再受到蒸气流碰撞而重新沿蒸气流方向流向泵壁。经过几次碰撞后，气体分子被压缩到低真空端，再由下几级喷嘴喷出的蒸气进气多级压缩，最后由前级泵抽走，而油蒸气在冷却的泵壁上被冷凝后又返回到下层重新被加热，如此循环工作达到抽气目的。 2.影响油扩散泵性能的因素如下。

（1)、油扩散泵的返流。

(2）、气体分子的反扩散。

(3)、扩散泵油的裂化分解，一般扩散泵对其工作油的要求是饱和蒸气压以内（室温下0.00000001Pa左右），受热稳定性好，不易被氧化，分子量大的高沸点的液体， 5

如硅油是扩散泵中比较理想的工作油。

(4)、泵清洗不干净，污染物质留在泵内并重复循环，影响其真空度。

3.是指泵内装有两个相反方向同步旋转的叶形转子，转子间、转子与泵壳内壁间有细小间隙而互不接触的一种变容真空泵。故高、中真空泵需要前级泵。

它的结构和工作原理与罗茨鼓风机相似，工作时其吸气口与被抽真空容器或真空系统主抽泵相接。这种真空泵的转子与转子之间、转子与泵壳之间互不接触，

罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。罗茨泵在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。 2结构组成

罗茨真空泵的两个转子在泵体中如何布置，决定了泵的总体结构。国内外罗茨真空泵的总体结构布置一般有三种方案：

1.立式：两个转子的轴线呈水平安装，但两个转子轴线构成的平面与水平面垂直，这种结构，泵的进排气口呈水平设置，装配和连接管道都比较方便。但其缺点是泵的重心太高，在高速运转时稳定性差，所以除小规格的泵外，采用这种结构型式的不太多。

2.卧式：两个转子的轴线呈水平安装，两个转子轴线构成的平面成水平方向，这种结构的泵的进气口在泵的上方，排气口在泵的下方（也有与此相反的）。下边的排气口一般为水平方向接出，所以进排气方向是相互垂直的。排气口接一个三通管向两个方向开口，一端接排气管道，另一端死或接旁通阀时使用。这种结构的特点是重心低，高速运转时稳定性好。国内外大中型泵多采用此种结构型式。

3.竖轴式：国外有的罗茨泵的两个转子轴线与水平面垂直安装。这种结构的装配间隙容易控制，转子装配方便，占地面积小，但齿轮等传动机构装拆不便，润滑装置也较复杂。

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当总体结构决定后，泵体本身的结构与形状也就相应地决定了。

4.带溢流阀的罗茨泵：为了防止超载引起事故，罗茨泵上装有一个比较可靠的安全保护器，即在旁通管路上装有一个溢流阀。排气口处于规定压力时，溢流阀是关闭的。当其排气口压力超过规定压力时，则溢流阀的阀门自动被顶开而产生溢汉，排气口压力变正常后，溢流阀再自行关闭。它能自动调节，也是泵的允许压差装置，因此溢流阀的最大好处是使罗茨泵能连同前级泵一起，在各种压力范围内能连续运转。采用这种设计，能使真空容器在粗真空状态的抽气停息时间可缩短30~50%.对于比较大的泵，溢流阀安装在泵体外边的旁通管路上，在比较小的泵上，溢流阀则是装在泵壳内的。

5.带蒸汽冷凝器的罗茨泵：在需要抽吸蒸汽情况下，抽气机组必须设计会使蒸汽冷凝的冷凝器，这个冷凝器可装在泵之前或装在泵之后，而不装在罗茨泵的泵体上。在某种情况下，冷凝特升化吸热能够减少罗茨泵发热。假设采用了复式冷凝器，在维修时可用适当的溶剂清除污垢，蒸汽就能顺畅地在导管中流动。从特征曲线可以看出当达到极限真空时，通过泵入口的正向气流量为零，既泵的实际抽速为零，式：

PC和PR事实就是前级泵和罗茨真空泵的极限压力，达到极限真空是几乎为分子流状态，将其导通能力带入式中：

理论抽速

P0—罗茨真空泵的极限压力

P0φ—前级真空泵的极限压力

11.6F —20℃时空气的导通能力

因此选择不同的前级泵可以获得不同的极限真空

冷却装置

1.空气冷却：罗茨真空泵由于输送和压缩气体而产生热量，这些热量必须从转子传至壳体而散发。但在低压下，气体对热的传导和对流性能极差，致使转子吸收的热量不易散出，造成转子温度永远高于壳体的温度。由于转子的热膨胀，使转子与转子间、转子与泵壳间的间隙减少，特别在压差也高的情况下，尤为严重，甚至造成转子卡死，使泵损坏。为了使罗茨泵在较高的压差下工作，以扩大使用范围，增加泵的可靠性，就必须设法散出转子产生的热量，也就是说要对转子进行冷却。 7

为了理解空气冷却的实质，先来看一下气体在罗茨真空泵排气一侧的流动情况，在罗茨真空泵中吸入气体被压缩的过程不是连续的，而是突然的。吸入气体随转子转动而被封闭于腔内，又随转子的旋转，使腔内的气体突然与排气口接通。由于排气一侧的气体压力较高，排气口处的气体就向腔中返冲，然后又随着转子的旋转而被驱赶排出泵外。这样的过程在每旋转一周中两个转子共进行四次排气过程。

从上述气体的流动情况可以设想：假若每次返冲到泵腔中的气体是冷的，则可以在高温的泵腔内吸收大量的热量，这些吸收了热量的气体又在转子的继续压缩中排出，从而会达到转子冷却的目的。

空气冷却就是运用上述原理。在泵的排气口处设置密集的冷却片，冷却片用冷水管进行冷却，或在泵的排气口处直接安装冷却水管，这样排气口处的气体就会降温，这种冷却方法能有效地散出罗茨泵转子在压缩气体中所产生的执量。而且当排气压力较高时，因气体分子的密度大，使热传导性能更好，其冷却效果也好些。使用这种方法能保证泵在较高的压差下作，实验证明，一台罗茨泵在30Torr压差下运转6h,其转子在外壳的温度差为22度，当在排气口处安装冷却器后，在85Torr压差下长其运转，其温差也不超过17度。一般说来，罗茨真空泵采用空气冷却之后，可将压差提高80Torr，而不加冷却器一般只能达到15~30Torr。

这种冷却方法与环境温度有关系，环境温度高吸入的气体温度就高。则冷却效果就不好。此外，这种方法只能避免高压差产生的高热，而不能防止泵压缩过程中发热，而引起间隙变小的问题，所以受泵本身间隙的限制。

2.转子的内部冷却：为了使罗茨真空泵在更高压差下工作，可采取更有效的冷却方法，即将转子用循环油冷却，在泵轴两端分别有油孔、油径轴头打入，经转子内壁再从另一端排出。冷却油除冷却转子外，还润滑齿轮和轴承。这种冷却效果较好，泵在运转时转子温度低于外壳温度，大泵常采用这种方式。例如在80Torr压差下工作时，罗茨真空泵转子温度较外壳低78度，同时还发现泵负荷越重时，则间隙越大，这是因为转子用油冷却，温度比壳体低，负荷越大，壳体膨胀越厉害，轴间距加大，所以间隙会增大。

由于负荷大，转子和壳体温差不断增高，使间隙不断增大，这会使首逆流增大，引起罗茨真空泵抽速下降。为了克服这个缺点，罗茨泵在高负荷下工作时，需要采用有效措施，一般是将罗茨真空泵的外壳和转子同时采用油循环系统进行冷却。

3.转子的油膜冷却：这种冷却方法是在罗茨真空泵入口处连接一个输油管，用均匀滴下的冷却油带走转子的热量。油经过滤器器、冷却器，通过密封良好的油泵，再经过办输油管将油送到泵的入口。油滴到转子上之后，随着转子的旋转而均面在 8

转了子的表面上。这不仅将转子的热量带走，同时在两个转子表面上形成油膜，防止气体的逆流，而且还能将转子表面上依附的微细尘埃带走。在泵的出口处设有油槽，收集废油，经过过滤，冷却后重新循环使用。此种方法效果良好。但由于泵内有油，失去了罗茨泵无油蒸汽污染真空系统的特点。再则油具有一定的粘度，对高速旋转的罗茨泵转子增加了不少的摩擦力，当然使泵的功率消耗增加。

所使用的油，要求饱和蒸汽压应尽量代。

4.水冷却：所谓湿式罗茨真空泵，即是由间级或双级泵吸入的空气经压缩后，通过综合吸收及有相位差的组合消音器传送。将微量的水注入泵内，便能消除因压缩空气而产生的热量。吸入水管装在单级或双级泵组的吸气端并连接到真空泵的进气口上。水是靠真空泵产生的真空度而吸入，真空度越大，吸入水量就越高。用一只简单的调节阀门便能保证最佳的吸入量，吸入水的温度应保持在20度左右，要清洁，无钙质。

结构特点

(1)在较宽的压力范围内有较大的抽速；

(2)转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速；

(3)泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；

(4)泵腔内无压缩，无排气阀。结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；

(5)压缩比较低，对氢气抽气效果差；

(6)转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。罗茨真空泵近几年在国内外得到较快的发展。在冶炼、石油化工、电工、电子等行业得到了广泛的应用。

性能特点

罗茨真空泵的特点是：启动快，耗功少，运转维护费用低，抽速大、效率高，对被抽气体中所含的少量水蒸汽和灰尘不敏感，在100～1帕压力范围内有较大抽气速率，能迅速排除突然放出的气体。这个压力范围恰好处于油封式机械真空泵与扩散泵之间。因此，它常被串联在扩散泵与油封式机械真空泵之间，用来提高中间压 9

力范围的抽气量。这时它又称为机械增压泵。

罗茨真空泵广泛用于真空冶金中的冶炼、脱气、轧制，以及化工、食品、医药工业中的真空蒸馏、真空浓缩和真空干燥等方面。真空泵配件为用于真空泵噪声治理的，真空泵消音器。

保养方法 （一）、罗茨真空泵定期检查：

1、每日检查：

a）油位检查：油量过多，使温度升高，油量过少，造成润滑不良。

b）温度检查：用温度计检查泵各部位温度。

c）电动机负荷检查：用功率表或电流，电压表测量电动机负荷。

2、罗茨真空泵每月检查：

联轴器及垫片是否损坏和松动。

3、罗茨真空泵每3个月检查：

齿轮箱内润滑油是否变质。

4、罗茨真空泵每6个月检查：

a）前盖轴承箱内润滑油是否变质。

b）活塞环及活塞环衬套是否磨损。

c）齿轮微量程度的磨损对转子正常运转是否产生影响，是否需要调整。

（二）、罗茨真空泵拆装：

增压泵进行拆卸和重新装配时，须根据以下注意事项进行：

1、罗茨真空泵未拆卸前，先测量并记录转子各部分间隙。

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2、尽量避免用重锤敲打，拆下的零件不得碰伤，妥善保管好。

3、将需要更换的零部件的更换原因及使用情况详细记录下来。

4、罗茨真空泵重新装配前须把各零部件清洁干净，毛刺修光。

5、无密封垫衬或密封圈的静密封面用“106”有机硅橡胶涂料。用干净密封的橡胶密封件，需涂上真空考克脂。带溢流阀真空泵溢流阀上的密封圈及平面上不得涂任柯油脂。

6、根据间隙一览表调整转子各部分间隙。

7、全部装好后须进行检漏。

8、重装后须进行试运转和必要的性能测试，待正常后才能安装使用。

罗茨泵工作原理性能特点罗茨泵实质上与凸轮泵相同，但转子是罗茨型的。它能输送黏度为数万厘泊的液体。罗茨泵主要是有两个旋转方向相反的转子位于泵体中，由一对同步齿轮传动，对于罗茨泵的转子，在泵体内是互相啮合的，但具有间隙。间隙大小主要取决于液体黏度。超过一定黏度范围必须调整增大间隙。

1、罗茨泵经常检查油位位置,不符合规定时须调整使之符合要求.以罗茨泵运转时,油位到油标中心为准。

2、罗茨泵换油期限按实际使用条件和能否满足性能要求等情况考虑,由用户酌情决定.一般新罗茨泵,抽除清洁干燥的气体时,建议在工作100小时左右换油一次.待油中看不到黑色金属粉末后,以后可适当延长换油期限。

3、罗茨泵经常检查油质情况,发现油变质应及时更换新油,确保罗茨泵工作正常。

4、罗茨泵一般情况下,罗茨泵工作2000小时后应进行检修,检查桷胶密封件老化程度,检查排气阀片是否开裂,清理沉淀在阀片及排气阀座上的污物.清洗整个罗茨泵腔内的零件,如转子,旋片,弹簧等.一般用汽油清洗,并烘干.对橡胶件类清洗后用干布擦干即可.清洗装配时应轻拿轻放小心碰伤。

5、罗茨泵向轴承体内加入轴承润滑机油,观察油位应在油标的中心线处,润滑油应及时更换或补充。

6、罗茨泵检查罗茨泵管路及结合处有无松动现象.用手转动罗茨泵,试看罗茨泵是否灵活。

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7、罗茨泵重新装配后应进行试运行,一般须空运转2小时并换油二次,因清洗时在罗茨泵中会留有一定量易挥发物,待运转正常后,再投入正常工作。

8、罗茨泵开动电机,当罗茨泵正常运转后,打开出口压力表和进口罗茨泵,视其显示出适当压力后,逐渐打开闸阀,同时检查电机负荷情况。

9、罗茨泵尽量控制罗茨泵的流量和扬程在标牌上注明的范围内,以保证罗茨泵在最高效率点运转,才能获得最大的节能效果。

消除故障编辑 一般故障

极限压力不高

（1）管道、系统漏气

（2）泵部分漏气

（3）前极泵极限压力下降

（4）润滑油太脏或牌号不符

（5）油封磨损

（6）溢流阀处漏气

（1）系统检漏

（2）对泵检漏

（3）修理或更换前级泵

（4）调换润滑油

（5）调换油封

（6）对溢流阀进行清理

抽速不足

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（1）管道通导能力不够

（2）前级泵抽速下降

（3）溢流阀处漏气

（1）增大管道通导能力

（2）修理或更换前级泵

（3）对溢流阀处进行清理

电动机过载

（1）入口压力过高

（2）转子端面与端盖单面接触

（3）前级泵返油进泵腔

（4）溢流阀卡住，使出口过高

（1）调整、控制入口压力

（2）调整转子端面间隙

（3）装置防返油设备

（4）对溢流阀进行清理

过热

（1）选择的前级泵抽速不够，造成压缩比过大

（2）入口压力过高

（3）冷却不良

（4）齿轮箱润滑油过高

（5）转子与泵壳接触

（6）齿轮、轴承、油封润滑不良

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（1）重新选用前级泵

（2）调整、控制入口压力

（3）畅通冷却

（4）调整油量

（5）修整

（6）保证油量适当，润滑良好

声音异常

（1）装配不良

（2）导向齿轮与转子位置偏移使转子相碰

（3）入门压力过高

（4）过载或润滑不良造成对齿轮的损伤

（5）轴承磨损

（1）重装

（2）调整位置，保证间隙

（3）调整、控制入口压力

（4）调换齿轮

（5）调换轴承

轴承、齿轮

早期磨损严重

（1）润滑油不良

（2）润滑油不足

（1）调换润滑油

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（2）补充润滑油

罗茨泵常见故障与排除及拆装

如罗茨泵（机械增压泵）机组经运转一段时间后，罗茨泵内产生异常杂音，则可能有以下原因：

1、罗茨泵的启动压力太高，造成泵的机件过热而受损（有些机械增压泵经特殊设计后，也可以在大气压下启动）。

2、在生产工艺中产生的较大的磨耗性粒子进入罗茨泵内部造成机件磨损。

3、泵的安放位置不对，例如：倾斜置放。泵内的润滑油的油量不适合。

以上各原因均会导致罗茨泵的机件（转子、定子、轴承与齿轮等）精密度变差或受严重污染，从而使罗茨泵在运转中产生异常杂音。

当发现泵在运转中产生异常杂音后，应立即检查泵的启动压力是否符合规定值，可用电流表检查泵电机的输入电流是否合乎额定值，有无异常的高或低。还应检查泵内润滑油的情况及泵的安放位置是否合适。发现问题后，要立即采取相应的措施解决。

罗茨真空泵工作时转子与转子，转子与泵体互相不接触，因此没有直接磨损，但由于间隙很小（一般0.10～0.25 mm），经长期运转后传动齿轮磨损，当齿侧间隙大于转子间最小间隙时，将产生相碰而发生故障，此时则应更换齿轮。一般在运转一年则应进行大修一次，检查齿轮及轴承的磨损情况，检查密封装置，更换密封圈（环），检查转子腐蚀情况，转子结垢情况，泵体内表面腐蚀情况和结垢情况。清洗测量磨损超出规定尺寸时，应调整间隙或更换零件。

泵的拆装程序如下：

1、放出润滑油及冷却水；

2、拆卸联轴器和电机；

3、拆卸旁通管路和旁通阀；

4、拆轴承；

5、拆卸前后端盖及密封装置；

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6、拆转动齿轮；

7、拆转子。

拆装时的注意事项如下：

1、安装底座时必须认真调整水平，否则将影响转子与泵体两端的间隙；

2、拆装零部件不能用铁锤敲打；

3、拆装时注意密封面，不得有任何划痕和碰伤；

4、平面密封使用室温硫化橡胶时，要涂布均匀，不能过薄也不能太厚；

5、转子装后应认真调整间隙，按规定间隙调整，发现超出规定时应取出重新修理，但修理后必须进行动平衡调试，动平衡合格后再重新组装。

过载问题

罗茨真空泵压缩气体所需的功率与压差成正比，一旦气体压差过高，泵就可能出现过载现象，造成电机绕组烧损。解决泵过载问题的方法主要有以下几种：

(1) 采用机械式自动调压旁通阀。 旁通阀安装在罗茨真空泵的出口和入口之间的旁通管路上。此阀控制泵出入口之间的压差不超过额定值。当压差达到额定值时，阀门靠压差作用自动打开，使罗茨真空泵出口和入口相通，使出入口之间的压差迅速降低，这时罗茨真空泵在几乎无压差的负荷下工作。当压差低于额定值时，阀自动关闭，气体通过罗茨真空泵内由前级泵抽走。带有旁通溢流阀的罗茨真空泵可以与前级泵同时启动，使机组操作简单方便。

(2) 采用液力联轴器 采用液力联轴器也能防止泵的过载现象发生，使泵可以在高压差下工作。液力联轴器安装在泵和电动机之间。在正常工作状态下，液力联轴器由电动机端向泵传递额定力矩。罗茨真空泵的最大压差由液力联轴器所传递的最大转矩来决定，而液力联轴器可传递的最大转矩由其中的液体量来调节。当泵在高压差下工作或与前级泵同时启动时，在液体联轴器内部产生了转速差即滑动，只传递一定的力矩，使泵减速工作。随着抽气的进行，气体负荷减小，罗茨真空泵逐渐加速至额定转速。

(3) 采用真空电气元件控制泵入口压力 在罗茨真空泵的入口管路处安置真空膜盒继电器或电接点真空压力表等压力敏感元件。真空系统启动后，当罗茨真空泵入口处压力低于给定值（泵允许启动压力）时，压力敏感元件发出信号，经电气控制 16

系统开启罗茨真空泵（如真空系统中装有罗茨真空泵旁通管路，则同时关闭旁通管路阀门）。若泵入口压力高于规定值时，则自动关闭罗茨真空泵（或同时打开泵旁通管路阀门），从而保证了罗茨真空泵的可靠运转。

修复方法

随着罗茨泵应用的日益增多，设备在运行过程中由于受到高温、高压、强腐蚀、气蚀冲刷等恶劣环境的影响，经常出现磨损、腐蚀、泄漏等现象，制约着企业的正常生产，甚至导致火灾、爆炸、污染等严重安全事故。同时，罗茨泵故障所带来的意外停机停产也影响着生产的效率和产品的质量，加大了企业的成本投入。罗茨泵常见故障主要分为以下两类：

轴承位磨损

传动部位磨损是罗茨泵普遍存在的问题，并且数量较大，损坏频繁，其中包括轴承位、轴承座、轴承室、键槽及螺纹等部位。传统的补焊机加工方法易造成材质损伤，导致部件变形或断裂，具有较大的局限性；刷镀和喷涂再机加工的方法往往需要外协，不仅修复周期长、费用高，而且因修补的材料还是金属材料，不能从根本上解决造成磨损的原因。

当代最新方法是采用高分子复合材料，其具有超强的粘着力，优异的抗压强度、耐磨性和抗腐蚀性等综合性能。采用2211F高分子复合修复材料在传动部位磨损尺寸相对较小的情况下可以现场免拆卸修复，既避免机械加工，又无补焊热应力热影响，修复厚度也不受限制，同时产品所具有的耐磨性及金属材料不具备的退让性，确保修复部位百分百的接触配合，降低设备的冲击震动，避免磨损的可能性，并大大延长设备部件（包括轴承）的使用寿命，为企业节省大量的停机时间，创造巨大的经济价值。

修复步骤：

1、模具加工：制作标准对开模具

2、表面处理：去油、打磨、清洗，确保表面干净、干燥、结实。

3、调和材料：比例准确，调和均匀。

4、涂抹材料：确保粘接、填实及厚度。

5、安装模具：涂刷脱模剂，安装固定，确保多余材料被挤出。

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6、脱模：固化后，拆卸模具将多余材料清理干净，材料不可敲击，可通过磨光机、锉刀等工具清除，达到安装要求。

3,.维持泵 在真空系统中，气量很小时，不能有效地利用前级泵。为此配置一种容量较小的辅助泵来维持主泵工作，此泵叫维持泵。如扩散泵出口处配一台小型旋片泵，就是维持泵。

4粗抽泵 从大气压下开始抽气，并将系统压力抽到另一真空泵开始工作的真空泵。如真空镀膜机中的滑阀泵，就是粗油泵。

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