真空薄膜介绍

真空薄膜介紹

輔仁大學物理系

凌國基老師

真空薄膜介紹

一、「真空」是什麼

在一個空間內，如果其氣壓低於一個大氣壓的氣體狀態，即稱為真空。任何一個罐 子，我們抽一些氣體出來，裡面的氣壓比外面低，這時候我們就稱之為「真空」，因此，真 空是很容易得到的。人類至今尚未在宇宙間找到絕對真空的地方，科學家也沒有造出一 個壓力等於零的空間。

1. 真空的單位

1 托耳（torr ）＝1/ 760 大氣壓力＝1 毫米水銀柱壓力

1 毫巴（millibar ）＝3/ 4 托耳

1 大氣壓＝1013 毫巴

2. 平均自由徑（mean free path ）

氣體分子在運動時，各個分子在碰撞到其他分子前，所行走之距離的平均值 稱為氣體的平均自由徑（mean free path ），通常以符號「λ」表示之，單位為公分。

在常溫 20℃時（溫度越高，分子運動速度越快）

λ 6.45 ×10 / P 公分 λ

P ：單位為豪巴 壓力

平均自由徑

1×10 torr 5cm 1×10 torr 50cm 1×10 torr 5m 1×10 torr 50m 1×10 torr 500m 1×10 torr 5km 1×10 torr 50km 1×10 -10 torr

500km

表一-2.1、氣壓單位為 torr 之各種壓力範圍之平均自由徑

從表一-2.1 可知，1×10 torr 的平均自由徑為 500 公里，那為什麼需要用到 1×10 - 10 torr ，500 公里呢？當我們做的是加速器碰撞的時候，如果裡面的分子走 了 1 公里就會撞到其他分子，那永遠達不到我們所要的速度；所以加速器就需要幾 十公里的平均自由徑，也就是說加速器內部需要抽到 1×10 torr 這麼低的真空度。 例如同步輻射儀所需的工作氣壓約為 1×10 torr ，其平均自由徑為 5 萬公里，也 就是大概跑了 5 萬公里才有一半的機 率會產生碰撞。

-3

-3 -3 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -10 -12 → 1×10 torr 約為「濺鍍」的工作氣壓。

3. 氣體撞擊率

「氣體撞擊率」是指，單位時間內，氣體分子撞擊在單位面積上的分子數。

＝3.5 ×10 [P/

MT ]

M ：分子量

T ：絕對溫度（°K ） P ：壓力（托耳，torr ）

在常溫 20℃時，

＝3.8 ×10 P 分子/公分 ·秒

＝3.8 ×10 6 P 分子/nm 2 ·秒

1nm （奈米）＝10 Å

1cm ＝10mm ＝10 7 nm ＝10

8 Å

假設在常溫 20℃下，某種金屬的 lattice constant 3 Å＝0.3nm ，其平面上平均一

個分子所佔的面積大約為 0.1nm ，空氣分子打到固體上一個分子的氣體撞擊率為

＝3.8 ×10 P 分子/秒

※「lattice constant 」是指，某種物質其組成分子間的最短晶格距離。

壓力 平均撞擊率

1×10 -3 torr

380 次/秒 1×10 torr

38 次/秒 1×10 torr

3.8 次/秒 1×10 torr

0.38 次/秒 1×10 torr

23 次/分 1×10 torr

2.3 次/分 1×10 torr 0.23 次/分 1×10

torr

1.38 次/小時

表一-3.1、0.1nm 面積（大約一個分子所佔的面積）被氣體撞擊的撞擊率與氣壓的 關係表

22 20 2 2

5 -4 -5 -

6 -

7 -

8 -

9 -10 2

2

我們在鍍金屬膜的時候，腔體不可能完全抽到真空，裡面還會剩下氣體，當我

們抽到 1×10 ~1×10 torr 的時候裡面剩下的大部分是水氣，到了 1×10 torr

以 下大部分是氫氣，所以在我們大部分可以處理的範圍，剩下的氣體都是水氣。

由表一-3.1 可知，當我們抽到 1×10 torr 的時候，每分鐘水分子會撞到金屬小

面積是 2.3 次，如果是 1×10 torr 是 0.23 次，如果是 1×10 torr 每小時大概只撞

到 1 次。水分子撞到金屬 1 次不見得會氧化，但是如果撞到很多次就會氧化了。而 我們在鍍金屬時，希望的是沒有氧化物的產生，例如鍍銅的時候如果因為有水氣 而產生氧化銅，那電阻就會增大。

用濺鍍的方法鍍銅很快，假設鍍膜時間 5 分鐘，我們鍍的厚度是 1000Å，而 1000Å 若銅分子大小大約為 3Å 則表示大約有 300 層的銅分子；如果我們鍍的時候 背景壓力為 1×10 torr ，由表一-3.1 可之，這時候 1 小時的平均撞擊率為每小時 1.38 次。

→ 由此可知，當我們鍍 300 層，平均撞擊率約為 0.1 次，那產生氧化物的機率就更小了。

那如果有一個人比較偷懶，抽到 1×10 torr 就開始鍍膜，從表一-3.1 可知其平 均撞擊率為每秒 0.38 次，每分鐘約為 23 次；如果要鍍的厚度是 1000 Å 的話，需 要 5 分鐘，平均撞擊率則約為 114 次，算式如下：

假設每撞 10 次才有一次產生氧化作用，那我們就可以去算這裡面的含氧量是 多少， 這就是這個表的功用。

金、銀跟氧、水氣幾乎不會起作用，因此抽到 1×10 torr 去鍍，鍍出來就很漂 亮；但是如果是鍍鋁、銅或是鉻，那麼情況就完全不一樣了。鋁、銅、鉻很容易和氧 起作用，很可能撞擊一次就會起作用，這時候就要由這個表來看，我們要鍍的多快 才不會產生氧化作用。

假設我們要鍍的厚度是 1000Å（300 層），希望 1 秒鐘就鍍好，背景壓力為 1×10 torr ，由表一-3.1 可知，平均撞擊率為每秒 3.8 次；換句話說，這表示在

1000Å 裡面，每一個粒子的位置只被撞 3.8 次，也就是 300 層裡只約有 3.8 層是被 氧化的。不過也不是每次碰撞都產生氧化作用，因此那 300 層裡面可能只有一層 被氧化，那這個膜的品質就夠好了。

-7 -9 -12 -8

-9 -10

-10 -6

-3

-5 1.38

60

5 0.1 （次） 0.38 60 22.8 23 （次） 22.8 5 114 （次）