安奎生，付申成，谷德山

(东北师范大学，吉林 长春 130024)

教学用金属真空蒸发镀膜实验装置的研制

安奎生，付申成，谷德山

(东北师范大学，吉林 长春 130024)

介绍了自制的金属真空蒸发镀膜实验装置，分析了真空镀膜的实验原理，详述了真空蒸发镀膜装置的操作流程。

真空系统；蒸发镀膜；镀膜室

真空镀膜属于薄膜技术和薄膜物理范畴,广泛应用在电真空，电子学、光学、能源开发、现代仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学、以及原子能工业和空间技术中。由于真空镀膜技术的迅速发展，使得电子计算机的微型化成为可能，进而促进了人造卫星、火箭和宇航技术的发展。

真空镀膜是指在真空中将金属或金属化合物沉积在基体表面上，从技术角度可分为：蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜和束流沉积等4种。真空镀膜的优点是：它可用一般金属(铝，钛等)代替日益缺乏的贵重金属(金，银)进行镀膜，从而降低产品成本，提高产品质量；由于在真空环境下镀膜，分子碰撞少，污染少，可获得表面物理研究中所要求的纯净、致密的薄膜；镀膜时间可人为控制，可得到厚度均匀或非均匀薄膜；被镀件表面不受损坏，薄膜与基体具有同等的光洁度。

本文介绍了自制金属真空蒸发镀膜实验装置，并以在载玻片上镀铝膜为例，详述了装置的实验操作流程。

1 实验装置

自制金属真空蒸发镀膜实验装置主要由真空系统、电控系统、水循环制冷系统等3部分组成。装置设计尺寸为1 200 mm×800 mm×1 100 mm，极限真空度为5×10-3Pa，总功率为2.5 kW，其实物如图1所示。

图1 金属真空蒸发镀膜实验装置

1.1 真空系统

真空系统由真空获得设备、真空测量器件、真空玻璃镀膜室和真空组装配件构成。

(1)真空获得设备

型号为2XZ-4旋片式机械真空泵1台，TK-150T金属油扩散泵扩散泵1台,DN200冷阱1个。

(2)真空测量器件

ZD-I-LED数字复合真空计1台，真空规管接头2个，ZJ-53热电偶规管1只，JZ-27热阴极电离规管1只。

(3)真空玻璃镀膜室

真空蒸发镀膜室是立式圆筒形玻璃钟罩结构，其直径为280 mm，高为320 mm，蒸发器钨丝直径为0.5～1 mm,玻璃钟罩和金属法兰采用真空橡胶圈过渡连接。

(4)真空组合配件

GI-150高真空蝶阀1个,DDC-JQ25A电磁真空充气阀1个,GD-25高真空挡板阀2个,微调充气阀1个，波纹管3根，过渡法兰4个，不锈钢连接管道(三通、弯头等)若干件，实验台架1个。

1.2 电源控制系统

装置面板上安有机械泵、扩散泵和蒸发电源(通过调压器调节蒸发电流，输出直流0～40 A)控制开关。外部配置电源电压分别为380 V，220 V。

1.3 循环水系统

压强为1.5 kg/cm2～2.5 kg/cm2，水温低于20 ℃，冷却水管长度为8 m，用于金属油扩散泵冷却。

2 实验原理

在平衡状态下，若金属克分子蒸发热ΔH与温度无关，则饱和蒸气压pS和绝对温度T的关系为

式中R为气体普适常数，k为积分常数。

在真空环境下，若金属表面静压强为p，则单位时间内从单位凝聚相材料表面蒸发出的质量(蒸发率)为

式中α为蒸发系数，M为克分子量，T为凝聚相材料的温度。

若真空度很高(P≈0)时蒸发的分子全部被凝结而无返回蒸发源，并且蒸发出向外飞行的分子也没有因相互碰撞而返回，此时蒸发率为

式中k为波尔兹曼常数，n为气体分子密度。

p/Pa10001001011×10-11×10-21×10-3λ/m5×10-65×10-55×10-45×10-35×10-25×10-15

3 实验装置操作流程

自制金属真空镀膜装置简图如图2所示。

图2 金属真空蒸发镀膜装置简图

(1)准备工作

将被镀物(载玻片)清洗烘干后，放在蒸发器下面法兰上，在蒸发器上挂上一定数量的铝条(蒸发物)，盖上玻璃钟罩。

(2)抽真空

关K1，开机械泵电源，慢慢打开K2(此时用手轻轻按住钟罩，待压紧为好)，开K3，K4阀门，打开复合真空计电源，当真空度指示为5 Pa时，打开扩散泵水源和电源，关上K2。

(3)镀膜

当真空度达到8 Pa时，将蒸发调节旋钮逆时针转到零点，开蒸发电源开关，顺时针缓慢旋转蒸发调节钮，当电流在10 A左右，蒸发物从固体融化成液体，再到气体，当蒸发物全部蒸发完毕时，镀膜结束，将蒸发调节降到零，关掉蒸发电源开关。

(4)关机

关真空计电源，关扩散泵电源，关K4；开K1向镀膜室内充气，取出镀件(如图3所示)；在关掉扩散泵电源30 min后，关K3；关机械泵电源(此时电磁放气阀DK自动打开充气)，关水源，结束实验。

图3 载玻片镀膜前后比较图

4 结 论

该装置由于实验现象直观、状态稳定、操作方便、造价低，因此非常适合于真空实验课教学。管道阀K2，K3与高真空蝶阀K4、充气阀K1配合，可以将镀膜室隔离出来，实现在不停真空泵情况下连续镀膜，亦可随时调整安装蒸发器及蒸发物，而扩散泵仍处在高真空的工作状态，这对连续镀膜的生产是很有意义的。

[1] 徐成海.真空工程技术[M].北京：化学工业出版社，2006:12-19.

[2] 王欲知，陈旭.真空技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007:21-23.

[3] 达道安.真空设计手册[M].北京：国防工业出版社，1991:29-32.

[4] 华中一.真空实验技术[M].上海：上海科学技术出版社出版，1985:73-79.

[5] 高雁.真空蒸发镀膜膜厚的测量[J].大学物理实验，2008(4)：72-79.

Development of Experimental Apparatus for Vacuum Evaporation Coating Film

AN Kui-sheng，FU Shen-cheng，GU De-shan

(Northeast Normal University，Jilin Changchun 130024)

Introduced homemade metal vacuum evaporation coating experimental device,analyzed the experimental principle of vacuum coating,detailing operational processes vacuum evaporation coating apparatus.

vacuum system；evaporation coating film；coating chamber

2016-06-20

1007-2934(2016)06-0098-03

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.026