光學薄膜制備相關技術 ——真空技術

日期：2025-10-29 00:45

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摘要：真空是制備光學薄膜的基礎，當前，大部分薄膜的制備都是在真空條件下進行的。本文簡要介紹與光學薄膜制備相關的基本真空知識。 1 真空的發現在1641年，意大利數學家托里拆利（Torricelli）在一端封閉的長玻璃管內加滿水銀，然后緩慢的將管口倒置在一個盛滿水銀的容器內，管內水銀柱的*大高度是76厘米，這時玻璃管*上方無水銀區域便是真空狀態。如果用水來代替水銀，則水柱的*大高度是10.3米。 2 真空的定義和單位真空是在給定的空...

真空是制備光學薄膜的基礎，當前，大部分薄膜的制備都是在真空條件下進行的。本文簡要介紹與光學薄膜制備相關的基本真空知識。

1 真空的發現

在1641年，意大利數學家托里拆利（Torricelli）在一端封閉的長玻璃管內加滿水銀，然后緩慢的將管口倒置在一個盛滿水銀的容器內，管內水銀柱的*大高度是76厘米，這時玻璃管*上方無水銀區域便是真空狀態。如果用水來代替水銀，則水柱的*大高度是10.3米。

2 真空的定義和單位

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

(1) 標準大氣壓（atm）：
1atm=1.01325х105Pa=760 Torr。
(2) 托（Torr）:
1 Torr=1/760atm=133.3Pa。
(3) 巴（bar）:
1 bar= 1 atm =1000 mbar
(4) 豪巴（mbar）:

1 mbar=7.5х10-1 Torr=100Pa。

3 真空在薄膜鍍制中的作用

氣體分子無時無刻都在做無規則的熱運動，分子與分子之間，以及分子與容器壁之間都不斷的發生著碰撞。常溫常壓條件下，氣體的分子密度約為3х1019個/cm3，每個空氣分子每秒中內要經歷1010次碰撞。氣體的分子運動軌跡就不是一條直線，而是一條不斷碰撞的同時不斷改變方向的折線。如果在這樣的環境下鍍膜，蒸發粒子將會與其它分子頻繁發生碰撞，不斷改變方向，也會增加與其它分子發生反應的幾率，蒸發速率和膜厚也就無法控制。要想避免這些不利因素，就需要我們在真空的條件下來進行。

真空區域的劃分。為了便于討論和實際應用，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）四個區域。粗真空的氣態空間近似大氣狀態，分子以熱運動為主，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逐漸從粘滯流狀態向分子流狀態過渡為主，此時分子之間和分子與容器壁之間的碰撞次數差不多；高真空的氣體流動為分子流，以氣體分子與器壁碰撞為主，碰撞次數大大減少，在高真空下蒸發的材料，粒子將沿直線飛行。

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

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

文章來源：真空技術與設備網

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