真空镀膜之真空
来源:长辰实业 日期:2022-03-02
什么是真空?
真空(Vacuum), 顾名思义强调的是空,来源于拉丁文的“Vacua”。理想的,如果我们在一个没有固体和液体的封闭空间内,再清空气体,那么我就得到了一个真空。 而实际上,真空可以被描述为一种气体含量少的封闭的空间,假定我们定义这个空间的体积为一个单位,而这个空间中所含的气体比同样体积大气中所含有的少,那么这个空间就是一个真空环境。
真空有它独特的对人类活动的的有利之处。如果你是一个爬山爱好者,同时又着迷于茶,你一定会在爬珠峰时候嫌弃茶难喝,因为高山空气稀薄,气压低,导致水的沸点低,影响了泡出茶的口味。但是,降低较低的空气密度导致低压,可以降低物体的沸点,启发了我们真空的优势。
一些材料,在温度升高到沸点时候,就回倾向于被氧化。因此,真空的另一个好处就是,(一定程度上)抽空气体,包括氧气和水气,就能减弱氧化作以及其他化学反应和物理作用。
什么是气体?
自然界的物体,固体结构中原子排列最为紧密有序,温度升高,(一般)会先液化,原子结构变得松散和排列无序,温度继续升高,就会气化(升华),分子结构更加松散且无序。另外,随着温度的升高,原子运动速度会加快,这样我可以总结气体的特性为: 原子持续地朝着不同方向自由运动,通常其运动速度为 1650 kph。
气体结构松散,同样体积,固体中,分子会占据74%的体积,而空气中,气体分子只占据万分之一的体积, 想象下,如果100单位的真空,放入1单位的气体,气体分子会很快占据整个空间,并在其中碰撞,碰撞速率根据其他变量会变动,但是1立方厘米会有2 * E19个气体分子,通常分子每运动10纳米(nm)就会碰撞一次,速率大致为100亿次/秒
气压
物质,分子原子都会有重量,当其碰撞表面就会给表面一个力,一单位表面受到的力就是气压。海拔高,气体密度小,气压就会低。喜马拉雅峰的气压大概为海平面的三分之一。 另外,按照经验,如果海拔升高5km,气压减半。
气温零度,北纬45度,海平面,每平方英寸(平方厘米)受到15磅(1 kg)的空气压力,定义为1个标准大气压。国际标准气压单位为Pa,其他通用的有bar,torr等。 1 torr 压力下水银(Hg)高度为1 mm。 换算如下
15psi = 760 torr = 1 std atm = 101 Kpa = 1013 mbar = 1 bar
指示真空度的气压单位多用 mbar:
低真空范围 1 - 1013 mbar
中真空 10 E-3 – 1 mbar
高中空 10 E-7 – 10 E-3 mbar
极高 低于 10 E-7 mbar。
气体多为混合,每种气体不产生的气压不同,下表列出空气中主要的气体的分气压。比如,标桩大气压下,氧气的分气压为 101 X 21 % = 21 Kpa。 需要特俗指出的水蒸气,其在空气中的含量根据环境变化,因此为变量。
加热后,所有物质气化或生化后的气体都叫蒸汽。 蒸发越多,蒸汽分子越多,对表面冲击越大,蒸汽压越大,因此,同等条件下,蒸汽压反映了增发速率。所有气体在沸点的气压都为760 torr,等同于空气在标准大气压所给出的力。
显然,蒸汽分子也会运动,当分子碰撞到蒸发源后会被吸收,当吸收和新蒸发平衡时候,蒸汽被称为饱和蒸汽,它对表面产生的力就饱和蒸汽压。如果温度降低,蒸发会减弱,分子减少,平衡点也就会下降,饱和蒸汽压也会降低。真空环境下,沸点低,(蒸汽分子与其他气体分子碰撞少,因此运动后被吸收得快,饱和蒸汽中分子多,表现为蒸发变快),蒸发快。真空镀膜中,深冷泵利用这一特性来除水。
室温下,水蒸气再水沸点的气压为2340 pa,如果要抽真空的空间内中有水滴存在,它气压就不可能低于这个压力。真空镀膜中,热辐射一般无法让水持续增发,这样能量从水中抽出,水结冰,冰的气压低,但是热会再进入冰中,冰融化,热量再出来,如此反复,最后到其消失:假如 一滴水重1 g 体积 1 ml,在真空环境下(如E-4 mbar)会占据 E6 L的空间,如果 10000 L/s 抽速的的扩散泵,要抽1.7分钟。
真空镀膜中深冷泵用来解决这一问题,水蒸气被抽到cryocoils上,冷凝气体充在cryocoils铜盘内,使得水蒸气凝结附着其上,除水汽效率高。
为何要真空
总体有两个原因:1. 控制镀膜过程中的各种反应 2. 减少膜材分子和其他分子碰撞,保持分子能量,提高附着力。
镀膜中,氧化被视为污染,镀膜纯度取决于到达基片的膜材和污染(contamination)的比例。为了控制镀膜纯度,为了衡量所需真空度,我们需要度量。度量度量污染,度量碰撞。主要有两个度量:平均自由程揭示碰撞可能性,气体污染的结晶时间衡量污染率。
分子随机运动,相互碰撞,方向转移。两次碰撞见的平均距离叫平均自由程(mean free path,mfp),它取决于分子大小,气压,温度。计算它需要知道分子直径,分子密度,分子平均速度。根据经验,可用一个简单公式 mfp = (6.4E-3)/ 气压(mbar)。Mfp和气压几何级呈现线性关系,1 std atm下,大概为63纳米,E-4mbar下大概为5厘米, E-6下大概为50厘米,E-5大概8米。如果真空度足够低,自由程大,镀膜是瞄准线式增长的(deposited by a line of sight),否则碰撞过多,就是其他形状。真空蒸镀中,一般设定真空度到E-5,镀膜开始后有放气,实际能达到E-4,平均自由程大致为半米,足够应付大多数机器设计,然而这时平局自由程,实际上还是会发生碰撞,,气体散射多少还会发生(gas scattering),影响成膜效果。
气体分子(污染物)结晶到基片的时间同样受压力和分子密度影响。假设附着系数为1,所有到达基片的气体污染分子都附着了,那么 在E-3条件下结晶要1毫米,E-4条件下0.01秒,E-5下0.1秒,E-6条件下要1秒。镀铝中,假设卷绕速度(winding speed)为 600m/min, 实际E-4气压条件下,基片通过镀膜区的时间为0.1秒,那么在铝分子到达基片的同时,0.1/0.01 = 10 层污染结晶形成,按照典型镀膜厚度,这大概是1-2%的污染率。 卷绕越慢,气压约高,污染率越高。
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