光学薄膜制备相关技术 ——真空技术

    真空是制备光学薄膜的基础，当前，大部分薄膜的制备都是在真空条件下进行的。本文简要介绍与光学薄膜制备相关的基本真空知识。

1 真空的发现

2 真空的定义和单位

      真空是在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。一般用真空度来表征真空，而真空度的高低用压强（作用在单位面积上的力）来衡量。压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），系米公斤秒制单位，是目前国际上推荐使用的国际单位制（SI），简称帕（Pa）。目前在实际工程技术中有几种旧单位还在延用，几种旧单位与帕斯卡之间的转换关系如下：

      1 mbar=7.5х10-1 Torr=100Pa。

3 真空在薄膜镀制中的作用

     气体分子无时无刻都在做无规则的热运动，分子与分子之间，以及分子与容器壁之间都不断的发生着碰撞。常温常压条件下，气体的分子密度约为3х1019个/cm3，每个空气分子每秒中内要经历1010次碰撞。气体的分子运动轨迹就不是一条直线，而是一条不断碰撞的同时不断改变方向的折线。如果在这样的环境下镀膜，蒸发粒子将会与其它分子频繁发生碰撞，不断改变方向，也会增加与其它分子发生反应的几率，蒸发速率和膜厚也就无法控制。要想避免这些不利因素，就需要我们在真空的条件下来进行。

      真空区域的划分。为了便于讨论和实际应用，常把真空划分为：粗真空（＞103Pa）、低真空（103~10-1Pa）、高真空（10-1~10-6Pa）、超高真空（＜10-6Pa）四个区域。粗真空的气态空间近似大气状态，分子以热运动为主，其气流特性以气体分子之间的碰撞为主；低真空气体分子的流动逐渐从粘滞流状态向分子流状态过渡为主，此时分子之间和分子与容器壁之间的碰撞次数差不多；高真空的气体流动为分子流，以气体分子与器壁碰撞为主，碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，粒子将沿直线飞行。

      真空度是气体分子热运动的宏观表现，另有微观参量“自由程”：气体分子之间相邻两次碰撞的距离，其统计平均值称为“平均自由程”。设N0个蒸发粒子行进距离d后，未受残余气体粒子碰撞的数目为：Nd= N0e-d/l（1）;被碰撞的分子百分数：f=1- Nd/ N0=1- e-d/l（2）根据（2）式计算可知，当平均自由程等于蒸发源到基底的距离时，有63%的蒸发粒子发生碰撞；如果平均自由程增加10倍，则碰撞的粒子数减小到9%。可见，只有在平均自由程比蒸发源到基底的距离大得多的情况下，才能有效地减少碰撞现象的发生。假如平均自由程足够大，且满足条件l>>d，则有：f≈d/l（3）又因为l≈0.667/P（P为压强）（4）将（4）式代入（3）式可得：f≈1.5dP（5）为保证膜层质量，设f≤10-1。当蒸发源到基底的距离d=30cm时，则P≤2.2×10-3Pa。由（5）式可知镀膜机的真空室越大，及蒸发源到基底的距离越长，则需要的真空度就越高。

      真空在薄膜制备中的作用有两个：一是减少蒸发粒子与其它气体粒子之间的碰撞，二是抑制蒸发分子与其它气体分子发生反应。

文章来源：真空技术与设备网