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          什么是真空鍍膜

          來源:長辰實業  日期:2023-11-28

          什么是真空?

          真空(Vacuum), 顧名思義強調的是空,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,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,啟發了我們真空的優勢。

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

          氣體結構松散,同樣體積,固體中,分子會占據74%的體積,而空氣中,氣體分子只占據萬分之一的體積, 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整個空間,并在其中碰撞,碰撞速率根據其他變量會變動,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,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環境變化,因此為變量。



          加熱后,所有物質氣化或生化后的氣體都叫蒸汽。 蒸發越多,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,當分子碰撞到蒸發源后會被吸收,當吸收和新蒸發平衡時候,蒸汽被稱為飽和蒸汽,它對表面產生的力就飽和蒸汽壓。如果溫度降低,蒸發會減弱,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,表現為蒸發變快),蒸發快。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增發,這樣能量從水中抽出,水結冰,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,在真空環境下(如E-4 mbar)會占據 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,使得水蒸氣凝結附著其上,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,氣體污染的結晶時間衡量污染率。

          分子隨機運動,相互碰撞,方向轉移。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。根據經驗,可用一個簡單公式 mfp = (6.4E-3)/ 氣壓(mbar)。Mfp和氣壓幾何級呈現線性關系,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,足夠應付大多數機器設計,然而這時平局自由程,實際上還是會發生碰撞,,氣體散射多少還會發生(gas scattering),影響成膜效果。

          氣體分子(污染物)結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。



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