光學(xué)薄膜制備相關(guān)技術(shù) ——真空技術(shù)

    真空是制備光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)，當(dāng)前，大部分薄膜的制備都是在真空條件下進(jìn)行的。本文簡(jiǎn)要介紹與光學(xué)薄膜制備相關(guān)的基本真空知識(shí)。

1 真空的發(fā)現(xiàn)

2 真空的定義和單位

      真空是在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。一般用真空度來表征真空，而真空度的高低用壓強(qiáng)（作用在單位面積上的力）來衡量。壓強(qiáng)所采用的法定計(jì)量單位是帕斯卡（Pascal），系米公斤秒制單位，是目前國(guó)際上推薦使用的國(guó)際單位制（SI），簡(jiǎn)稱帕（Pa）。目前在實(shí)際工程技術(shù)中有幾種舊單位還在延用，幾種舊單位與帕斯卡之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

      1 mbar=7.5х10-1 Torr=100Pa。

3 真空在薄膜鍍制中的作用

     氣體分子無時(shí)無刻都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，分子與分子之間，以及分子與容器壁之間都不斷的發(fā)生著碰撞。常溫常壓條件下，氣體的分子密度約為3х1019個(gè)/cm3，每個(gè)空氣分子每秒中內(nèi)要經(jīng)歷1010次碰撞。氣體的分子運(yùn)動(dòng)軌跡就不是一條直線，而是一條不斷碰撞的同時(shí)不斷改變方向的折線。如果在這樣的環(huán)境下鍍膜，蒸發(fā)粒子將會(huì)與其它分子頻繁發(fā)生碰撞，不斷改變方向，也會(huì)增加與其它分子發(fā)生反應(yīng)的幾率，蒸發(fā)速率和膜厚也就無法控制。要想避免這些不利因素，就需要我們?cè)谡婵盏臈l件下來進(jìn)行。

      真空區(qū)域的劃分。為了便于討論和實(shí)際應(yīng)用，常把真空劃分為：粗真空（＞103Pa）、低真空（103~10-1Pa）、高真空（10-1~10-6Pa）、超高真空（＜10-6Pa）四個(gè)區(qū)域。粗真空的氣態(tài)空間近似大氣狀態(tài)，分子以熱運(yùn)動(dòng)為主，其氣流特性以氣體分子之間的碰撞為主；低真空氣體分子的流動(dòng)逐漸從粘滯流狀態(tài)向分子流狀態(tài)過渡為主，此時(shí)分子之間和分子與容器壁之間的碰撞次數(shù)差不多；高真空的氣體流動(dòng)為分子流，以氣體分子與器壁碰撞為主，碰撞次數(shù)大大減少，在高真空下蒸發(fā)的材料，粒子將沿直線飛行。

      真空度是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，另有微觀參量“自由程”：氣體分子之間相鄰兩次碰撞的距離，其統(tǒng)計(jì)平均值稱為“平均自由程”。設(shè)N0個(gè)蒸發(fā)粒子行進(jìn)距離d后，未受殘余氣體粒子碰撞的數(shù)目為：Nd= N0e-d/l（1）;被碰撞的分子百分?jǐn)?shù)：f=1- Nd/ N0=1- e-d/l（2）根據(jù)（2）式計(jì)算可知，當(dāng)平均自由程等于蒸發(fā)源到基底的距離時(shí)，有63%的蒸發(fā)粒子發(fā)生碰撞；如果平均自由程增加10倍，則碰撞的粒子數(shù)減小到9%。可見，只有在平均自由程比蒸發(fā)源到基底的距離大得多的情況下，才能有效地減少碰撞現(xiàn)象的發(fā)生。假如平均自由程足夠大，且滿足條件l>>d，則有：f≈d/l（3）又因?yàn)?/span>l≈0.667/P（P為壓強(qiáng)）（4）將（4）式代入（3）式可得：f≈1.5dP（5）為保證膜層質(zhì)量，設(shè)f≤10-1。當(dāng)蒸發(fā)源到基底的距離d=30cm時(shí)，則P≤2.2×10-3Pa。由（5）式可知鍍膜機(jī)的真空室越大，及蒸發(fā)源到基底的距離越長(zhǎng)，則需要的真空度就越高。

      真空在薄膜制備中的作用有兩個(gè)：一是減少蒸發(fā)粒子與其它氣體粒子之間的碰撞，二是抑制蒸發(fā)分子與其它氣體分子發(fā)生反應(yīng)。

文章來源：真空技術(shù)與設(shè)備網(wǎng)