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1、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
2、 path），通常以符號表示之，單位為公分。 在常溫20時（溫度越高，分子運動速度越快） 6.45 10 -3/ P 公分 P：單位為豪巴 5 10 -3/ P 公分 P：單位為托耳壓力 110 -3 torr約為濺鍍的工作氣壓。平均自由徑110 -3 torr5cm 110 -4 torr50cm 110 -5 torr5m 110 -6 torr50m 110 -7 torr500m 110 -8 torr5km 110 -9 torr50km 110 -10 torr500km 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，110 -10 torr的平均
3、自由徑為500公里，那為什麼需要用到110 - 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110 -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110 -12 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. 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 22 P/M：分子量T：絕對溫度（K）P：壓力（托耳，torr） 在常溫20時， 3.8 10
4、 20 P 分子/公分2 秒 3.8 10 6 P 分子/nm2 秒 1nm（奈米）10 1cm10mm107nm108 假設在常溫20下，某種金屬的lattice constant3 0.3nm，其平面上平均一個分子所佔的面積大約為0.1nm2，空氣分子打到固體上一個分子的氣體撞擊率為 3.8 10 5 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110 -3 torr380次/秒 110 -4 torr38次/秒 110 -5 torr3.8次/秒 110 -6 torr0.38次/秒 110 -7 torr23次/分 110 -8
5、torr2.3次/分 110 -9 torr0.23次/分 110 -10 torr1.38次/小時 表一-3.1、0.1nm2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 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110 -7110 -9 torr 的時候裡面剩下的大部分是水氣，到了110 -12 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110 -8 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110 -9 torr是0.23次，如果是110 -10 to
6、rr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1000，而1000若銅分子大小大約為3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110 -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。 （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110 -6 torr就開始鍍膜，從表一-3.
7、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 的話，需要5分鐘，平均撞擊率則約為114次，算式如下： （次）（次） 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110 -3 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1000（300層），希望1秒鐘就鍍好，背景壓力為110 -5 torr，由表一-3
8、.1可知，平均撞擊率為每秒3.8次；換句話說，這表示在1000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。4. 真空之壓力範圍（：氣體分子的平均自由路徑，d：真空儀器的主要尺寸）（1） 粗略真空（Rough Vacuum）壓力範圍：10001托耳 d 氣流形態：分子流（Molecular flow） 在此壓力下，真空系統內主要為水氣。由表一-2.1可知，110 -6 torr其平均自由路徑約為50m。真空系統差不多1m，再大一點1.8 m就很大了，那跑了50 m才
9、有一半的碰撞機會，因此鍍出來的東西機乎是沒有碰撞的，也就是說裡面的氣體機乎是不互相碰撞的都撞在真空腔體上。（4） 超高真空（Ultra High Vacuum）壓力範圍：10-7托耳以下氣流形態：單分子運動 之前有提過，當我們抽到110-7110 -9 torr 的時候，真空系統內7090為容器壁釋放出來的水氣，氣體分子與氣體分子間幾乎沒有碰撞，都碰撞在真空系統的機器上。 那為什麼還需要超高真空系統呢？由表一-3.1可知，在110 -7 torr時，氣體的平均撞擊率為1 分鐘23次，有一些鍍膜方式是非常非常慢的，一個小時只能鍍幾個，假設30分鐘才能鍍一層，那鍍完一層有630次的碰撞機會；如果鍍
10、的是一個金屬膜，而且是一個活性金屬膜，此時絕對鍍不好的，因為水氣碰撞了近700次，裡面的氧化物已經太多。 如果我們是抽到110 -10 torr，平均撞擊率1小時只有1.38次，鍍30分鐘約碰撞0.6次，還不一定會發生氧化作用，假設只有一半起氧化作用，那就是只會碰撞0.3次。 所以氣體分子的平均自由路徑雖然夠，那為什麼要抽到這麼低的真空？因為有的方法鍍膜速率很快、有的方法鍍膜速率很慢；對膜層的要求，有的膜層要求很高，不能有氧化物，這時候就要抽的很低10-810-9 torr。 5. 真空系統 這個有二個真空系統，圖一是實驗室用，圖二個是工業用。 圖一個在實驗室非常典型的真空系統，真空鍍膜實驗所
11、使用的真空系統也是同一類型：S是機械幫浦，U是擴散幫浦，A是機板，B是擋板，F是蒸發源，是M水擋板，L是液態氮冷凝阱。當我們鍍完了之後，把整個機器關起來，要先放氣進去，我們的真空腔才打的開；H是放氣閥。另外，P是細抽閥（高真空閥），K是粗抽閥（低真空閥），Z是主閥。 另一個圖二是一個典型的工業用鍍眼鏡用的真空系統。一樣有機械幫浦、擴散幫浦、水擋板、冷凝阱、高真空閥、兩個低真空閥、電子槍、檔板、基板，比較特別的是多了魯式幫浦。另外，上面有一個光學監控，在鍍膜的時候，隨時都要知道到多厚，這是薄膜厚度監控的部份。 這樣我們總共接觸到了幾個真空抽氣系統，我們有機械幫浦、魯式幫浦、擴散幫浦。圖一、典型實
12、驗室用的機器（ 很重要的圖，之後會一直用到。）主閥高真空閥液態氮冷凝阱低真空閥放氣閥蒸發源機版擋版機械幫浦擴散幫浦水擋板A typical oil-diffusion-pump evaporation station used in the authors laboratory. The notations stand for A, quartz iodine lamp heater; B, substrate; C, quartz-crystal rate controller and deposition monitor; D, substrate mask; E, shutter(mec
13、hanical or electromagnetic); F, vapors from evaporation source; G, adapter collar between the bell jar and the pump baseplate flange; H, air-inlet valve; I, baseplate flange; J, Pirani or thermocouple gauge; K, roughing valve; L, liquid air trap; M,cooled chevron baffles; N, diffusion Pump; O,cooling coils; P and Q, backing valves; R, Pirani gauge; S, forepump with air-inlet valve T; U, diffusion-pump heater; V, filament holders; W, multiple feedthrough; X, ionization gauge; Y, Meissnert trap; Z, baffle valve. 24圖二、典型工業上用來鍍眼鏡的機器魯式幫浦高真空閥低真空閥機械幫浦擴散幫浦冷凝阱水擋板真空計蒸發源電子槍光學監控表一-5.1
