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什么是真空鍍膜

來源：長辰實業(yè) 日期：2023-11-28

什么是真空？

真空（Vacuum）, 顧名思義強調(diào)的是空，來源于拉丁文的“Vacua”。理想的，如果我們在一個沒有固體和液體的封閉空間內(nèi)，再清空氣體，那么我就得到了一個真空。而實際上，真空可以被描述為一種氣體含量少的封閉的空間，假定我們定義這個空間的體積為一個單位，而這個空間中所含的氣體比同樣體積大氣中所含有的少，那么這個空間就是一個真空環(huán)境。

真空有它獨特的對人類活動的的有利之處。如果你是一個爬山愛好者，同時又著迷于茶，你一定會在爬珠峰時候嫌棄茶難喝，因為高山空氣稀薄，氣壓低，導致水的沸點低，影響了泡出茶的口味。但是，降低較低的空氣密度導致低壓，可以降低物體的沸點，啟發(fā)了我們真空的優(yōu)勢。

一些材料，在溫度升高到沸點時候，就回傾向于被氧化。因此，真空的另一個好處就是，（一定程度上）抽空氣體，包括氧氣和水氣，就能減弱氧化作以及其他化學反應和物理作用。

什么是氣體？

自然界的物體，固體結(jié)構(gòu)中原子排列最為緊密有序，溫度升高，（一般）會先液化，原子結(jié)構(gòu)變得松散和排列無序，溫度繼續(xù)升高，就會氣化（升華），分子結(jié)構(gòu)更加松散且無序。另外，隨著溫度的升高，原子運動速度會加快，這樣我可以總結(jié)氣體的特性為：原子持續(xù)地朝著不同方向自由運動，通常其運動速度為 1650 kph。

氣體結(jié)構(gòu)松散，同樣體積，固體中，分子會占據(jù)74%的體積，而空氣中，氣體分子只占據(jù)萬分之一的體積，想象下，如果100單位的真空，放入1單位的氣體，氣體分子會很快占據(jù)整個空間，并在其中碰撞，碰撞速率根據(jù)其他變量會變動，但是1立方厘米會有2 * E19個氣體分子，通常分子每運動10納米（nm）就會碰撞一次，速率大致為100億次/秒

氣壓

物質(zhì)，分子原子都會有重量，當其碰撞表面就會給表面一個力，一單位表面受到的力就是氣壓。海拔高，氣體密度小，氣壓就會低。喜馬拉雅峰的氣壓大概為海平面的三分之一。另外，按照經(jīng)驗，如果海拔升高5km，氣壓減半。

氣溫零度，北緯45度，海平面，每平方英寸（平方厘米）受到15磅（1 kg）的空氣壓力，定義為1個標準大氣壓。國際標準氣壓單位為Pa，其他通用的有bar，torr等。 1 torr 壓力下水銀（Hg）高度為1 mm。換算如下

15psi = 760 torr = 1 std atm = 101 Kpa = 1013 mbar = 1 bar

指示真空度的氣壓單位多用 mbar：

低真空范圍 1 - 1013 mbar

中真空 10 E-3 – 1 mbar

高中空 10 E-7 – 10 E-3 mbar

極高低于 10 E-7 mbar。

氣體多為混合，每種氣體不產(chǎn)生的氣壓不同，下表列出空氣中主要的氣體的分氣壓。比如，標樁大氣壓下，氧氣的分氣壓為 101 X 21 % = 21 Kpa。需要特俗指出的水蒸氣，其在空氣中的含量根據(jù)環(huán)境變化，因此為變量。

加熱后，所有物質(zhì)氣化或生化后的氣體都叫蒸汽。蒸發(fā)越多，蒸汽分子越多，對表面沖擊越大，蒸汽壓越大，因此，同等條件下，蒸汽壓反映了增發(fā)速率。所有氣體在沸點的氣壓都為760 torr，等同于空氣在標準大氣壓所給出的力。

顯然，蒸汽分子也會運動，當分子碰撞到蒸發(fā)源后會被吸收，當吸收和新蒸發(fā)平衡時候，蒸汽被稱為飽和蒸汽，它對表面產(chǎn)生的力就飽和蒸汽壓。如果溫度降低，蒸發(fā)會減弱，分子減少，平衡點也就會下降，飽和蒸汽壓也會降低。真空環(huán)境下，沸點低，（蒸汽分子與其他氣體分子碰撞少，因此運動后被吸收得快，飽和蒸汽中分子多，表現(xiàn)為蒸發(fā)變快），蒸發(fā)快。真空鍍膜中，深冷泵利用這一特性來除水。

室溫下，水蒸氣再水沸點的氣壓為2340 pa，如果要抽真空的空間內(nèi)中有水滴存在，它氣壓就不可能低于這個壓力。真空鍍膜中，熱輻射一般無法讓水持續(xù)增發(fā)，這樣能量從水中抽出，水結(jié)冰，冰的氣壓低，但是熱會再進入冰中，冰融化，熱量再出來，如此反復，最后到其消失：假如一滴水重1 g 體積 1 ml，在真空環(huán)境下（如E-4 mbar）會占據(jù) E6 L的空間，如果 10000 L/s 抽速的的擴散泵，要抽1.7分鐘。

真空鍍膜中深冷泵用來解決這一問題，水蒸氣被抽到cryocoils上，冷凝氣體充在cryocoils銅盤內(nèi)，使得水蒸氣凝結(jié)附著其上，除水汽效率高。

為何要真空

總體有兩個原因：1. 控制鍍膜過程中的各種反應 2. 減少膜材分子和其他分子碰撞，保持分子能量，提高附著力。

鍍膜中，氧化被視為污染，鍍膜純度取決于到達基片的膜材和污染（contamination）的比例。為了控制鍍膜純度，為了衡量所需真空度，我們需要度量。度量度量污染，度量碰撞。主要有兩個度量：平均自由程揭示碰撞可能性，氣體污染的結(jié)晶時間衡量污染率。

分子隨機運動，相互碰撞，方向轉(zhuǎn)移。兩次碰撞見的平均距離叫平均自由程（mean free path，mfp），它取決于分子大小，氣壓，溫度。計算它需要知道分子直徑，分子密度，分子平均速度。根據(jù)經(jīng)驗，可用一個簡單公式 mfp = （6.4E-3）/ 氣壓（mbar）。Mfp和氣壓幾何級呈現(xiàn)線性關(guān)系，1 std atm下，大概為63納米，E-4mbar下大概為5厘米， E-6下大概為50厘米，E-5大概8米。如果真空度足夠低，自由程大，鍍膜是瞄準線式增長的（deposited by a line of sight），否則碰撞過多，就是其他形狀。真空蒸鍍中，一般設定真空度到E-5，鍍膜開始后有放氣，實際能達到E-4，平均自由程大致為半米，足夠應付大多數(shù)機器設計，然而這時平局自由程，實際上還是會發(fā)生碰撞，，氣體散射多少還會發(fā)生（gas scattering），影響成膜效果。

氣體分子（污染物）結(jié)晶到基片的時間同樣受壓力和分子密度影響。假設附著系數(shù)為1，所有到達基片的氣體污染分子都附著了，那么在E-3條件下結(jié)晶要1毫米，E-4條件下0.01秒，E-5下0.1秒，E-6條件下要1秒。鍍鋁中，假設卷繞速度（winding speed）為 600m/min，實際E-4氣壓條件下，基片通過鍍膜區(qū)的時間為0.1秒，那么在鋁分子到達基片的同時，0.1/0.01 = 10 層污染結(jié)晶形成，按照典型鍍膜厚度，這大概是1-2%的污染率。卷繞越慢，氣壓約高，污染率越高。