真空蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中的真空條件
蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中，從膜材表面蒸發(fā)的粒子以一定的速度在空間沿直線(xiàn)運動(dòng)，直到與其他粒子碰撞為止。在真空室內，當氣相中的粒子濃度和殘余氣體的壓力足夠低時(shí)，這些粒子從蒸發(fā)源到基片之間可以保持直線(xiàn)飛行，否則，就會(huì )產(chǎn)生碰撞而改變運動(dòng)方向。為此，增加殘余氣體的平均自由程，以減少其與蒸發(fā)粒子的碰撞幾率，把真空室內抽成高真空是必要的。
當真空容器內蒸發(fā)粒子的平均自由程大于蒸發(fā)源與基片的距離(以下稱(chēng)蒸距)時(shí)，就會(huì )獲得充分的真空條件。設蒸距(蒸發(fā)源與基片的距離)為L(cháng)，并把L看成是蒸發(fā)粒子已知的實(shí)際行程，λ 為氣體分子的平均自由程，設從蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽分子數為N0，在相距為L(cháng) 的蒸發(fā)源與基片之間發(fā)生碰撞而散射的蒸汽分子數為N1，而且假設蒸發(fā)粒子主要與殘余氣體的原子或分子碰撞而散射，則有
N1/N0= 1- exp(L/λ) (1)
在室溫(25℃)和氣體壓力為p(Pa)的條件下，殘余氣體分子的平均自由程為
λ = 6.65×10-1/pcm (2)
由上式計算可知，在室溫下，p=10-2 Pa 時(shí)，λ=66.5 cm，即一個(gè)分子在與其它分子發(fā)生兩次碰撞之間約飛行66.5 cm。
圖2 是蒸發(fā)粒子在飛向基片途中發(fā)生碰撞的比例與氣體分子的實(shí)際路程對平均自由程之比值的曲線(xiàn)。從圖中可以看出，當λ=L 時(shí)，有63%的蒸發(fā)分子會(huì )發(fā)生碰撞。如果平均自由程增加10 倍，則散射的粒子數減少到9%，因此，蒸發(fā)粒子的平均自由程必須遠遠大于蒸距才能避免蒸發(fā)粒子在向基片遷移過(guò)程中與殘余氣體分子發(fā)生碰撞，從而有效地減少蒸發(fā)粒子的散射現象。目前常用的蒸發(fā)鍍膜機的蒸距均不大于50 cm。因此，如果要防止蒸發(fā)粒子的大量散射，在真空蒸發(fā)鍍膜設備中，真空鍍膜室的起始真空度必須高于10-2 Pa。
由于殘余氣體在蒸鍍過(guò)程中對膜層的影響很大，因此分析真空室內殘余氣體的來(lái)源，借以消除殘余氣體對薄膜質(zhì)量的影響是重要的。真空室中殘余氣體分子的來(lái)源主要是真空鍍膜室內表面上的解吸放氣、蒸發(fā)源釋放的氣體、抽氣系統的返流以及設備的漏氣等原因所造成的。若鍍膜設備的結構設計及制造良好，則真空抽氣系統的返流及設備的漏氣并不會(huì )造成嚴重的影響。表l 給出了真空鍍膜室壁上單分子層所吸附的分子數Ns 與氣相中分子數N 的比值近似值。通常在常用的高真空系統中，其內表面上所吸附的單層分子數，遠遠超過(guò)氣相中的分子數。因此，除了蒸發(fā)源在蒸鍍過(guò)程中所釋放的氣體外，在密封和抽氣系統性能均良好和清潔的真空系統中，若氣壓處于10- 4 Pa 時(shí)，從真空室壁表面上解吸出來(lái)的氣體分子就是真空系統內的主要氣體來(lái)源。
表1 高真空下室壁單分子層所吸附的分子數與氣相分子數之比
A-鍍膜室的內表面積，cm2;V-鍍膜室的容積，cm3;ns-單分子層內吸附分子數，個(gè)/cm2;n-氣相分子數，個(gè)/cm3
殘余氣體分子撞擊著(zhù)真空室內的所有表面，包括正在生長(cháng)著(zhù)的膜層表面。在室溫和10-4 Pa 壓力下的空氣環(huán)境中，形成單一分子層吸附所需的時(shí)間只有2.2 s�？梢�(jiàn)，在蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中，如果要獲得高純度的膜層，必須使膜材原子或分子到達基片上的速率大于殘余氣體到達基片上的速率，只有這樣才能制備出純度好的膜層。這一點(diǎn)對于活性金屬材料基片更為重要，因為這些金屬材料的清潔表面的粘著(zhù)系數均接近于1。
在10-2 Pa～10-4 Pa 壓力下蒸發(fā)時(shí)，膜材蒸汽分子與殘余氣體分子到達基片上的數量大致相等，這必將影響制備的膜層質(zhì)量。因此需要合理設計鍍膜設備的抽氣系統，保證膜材蒸汽分子到達基片表面的速率高于殘余氣體分子到達的速率，以減少殘余氣體分子對膜層的撞擊和污染，提高膜層的純度。
此外，在10-4 Pa 時(shí)真空室內殘余氣體的主要組分為水蒸氣(約占90%以上)，水氣與金屬膜層或蒸發(fā)源均會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，生成氧化物而釋放出氫氣。因此，為了減少殘余氣體中的水分，可以提高真空室內的溫度，使水分解，也是提高膜層質(zhì)量的一種有效辦法。
還應注意蒸發(fā)源在高溫下的放氣。在蒸發(fā)源通電加熱之前，可先用擋板擋住基片，然后對膜材加熱去氣。在正式鍍膜開(kāi)始時(shí)再移開(kāi)擋板。利用該方法，可有效提高膜層的質(zhì)量。
