什么是真空？

真空（Vacuum）, 顾名思义强调的是空，来源于拉丁文的“Vacua”。理想的，如果我们在一个没有固体和液体的封闭空间内，再清空气体，那么我就得到了一个真空。 而实际上，真空可以被描述为一种气体含量少的封闭的空间，假定我们定义这个空间的体积为一个单位，而这个空间中所含的气体比同样体积大气中所含有的少，那么这个空间就是一个真空环境。

真空有它独特的对人类活动的的有利之处。如果你是一个爬山爱好者，同时又着迷于茶，你一定会在爬珠峰时候嫌弃茶难喝，因为高山空气稀薄，气压低，导致水的沸点低，影响了泡出茶的口味。但是，降低较低的空气密度导致低压，可以降低物体的沸点，启发了我们真空的优势。

一些材料，在温度升高到沸点时候，就回倾向于被氧化。因此，真空的另一个好处就是，（一定程度上）抽空气体，包括氧气和水气，就能减弱氧化作以及其他化学反应和物理作用。

什么是气体？

自然界的物体，固体结构中原子排列最为紧密有序，温度升高，（一般）会先液化，原子结构变得松散和排列无序，温度继续升高，就会气化（升华），分子结构更加松散且无序。另外，随着温度的升高，原子运动速度会加快，这样我可以总结气体的特性为： 原子持续地朝着不同方向自由运动，通常其运动速度为 1650 kph。

气体结构松散，同样体积，固体中，分子会占据74%的体积，而空气中，气体分子只占据万分之一的体积， 想象下，如果100单位的真空，放入1单位的气体，气体分子会很快占据整个空间，并在其中碰撞，碰撞速率根据其他变量会变动，但是1立方厘米会有2 * E19个气体分子，通常分子每运动10纳米（nm）就会碰撞一次，速率大致为100亿次/秒

气压

物质，分子原子都会有重量，当其碰撞表面就会给表面一个力，一单位表面受到的力就是气压。海拔高，气体密度小，气压就会低。喜马拉雅峰的气压大概为海平面的三分之一。 另外，按照经验，如果海拔升高5km，气压减半。

气温零度，北纬45度，海平面，每平方英寸（平方厘米）受到15磅（1 kg）的空气压力，定义为1个标准大气压。国际标准气压单位为Pa，其他通用的有bar，torr等。 1 torr 压力下水银（Hg）高度为1 mm。 换算如下

15psi = 760 torr = 1 std atm = 101 Kpa = 1013 mbar = 1 bar

指示真空度的气压单位多用 mbar：

低真空范围 1 - 1013 mbar

中真空 10 E-3 – 1 mbar

高中空 10 E-7 – 10 E-3 mbar

极高 低于 10 E-7 mbar。

气体多为混合，每种气体不产生的气压不同，下表列出空气中主要的气体的分气压。比如，标桩大气压下，氧气的分气压为 101 X 21 % = 21 Kpa。 需要特俗指出的水蒸气，其在空气中的含量根据环境变化，因此为变量。

加热后，所有物质气化或生化后的气体都叫蒸汽。 蒸发越多，蒸汽分子越多，对表面冲击越大，蒸汽压越大，因此，同等条件下，蒸汽压反映了增发速率。所有气体在沸点的气压都为760 torr，等同于空气在标准大气压所给出的力。

显然，蒸汽分子也会运动，当分子碰撞到蒸发源后会被吸收，当吸收和新蒸发平衡时候，蒸汽被称为饱和蒸汽，它对表面产生的力就饱和蒸汽压。如果温度降低，蒸发会减弱，分子减少，平衡点也就会下降，饱和蒸汽压也会降低。真空环境下，沸点低，（蒸汽分子与其他气体分子碰撞少，因此运动后被吸收得快，饱和蒸汽中分子多，表现为蒸发变快），蒸发快。真空镀膜中，深冷泵利用这一特性来除水。

室温下，水蒸气再水沸点的气压为2340 pa，如果要抽真空的空间内中有水滴存在，它气压就不可能低于这个压力。真空镀膜中，热辐射一般无法让水持续增发，这样能量从水中抽出，水结冰，冰的气压低，但是热会再进入冰中，冰融化，热量再出来，如此反复，最后到其消失：假如 一滴水重1 g 体积 1 ml，在真空环境下（如E-4 mbar）会占据 E6 L的空间，如果 10000 L/s 抽速的的扩散泵，要抽1.7分钟。

真空镀膜中深冷泵用来解决这一问题，水蒸气被抽到cryocoils上，冷凝气体充在cryocoils铜盘内，使得水蒸气凝结附着其上，除水汽效率高。

为何要真空

总体有两个原因：1. 控制镀膜过程中的各种反应 2. 减少膜材分子和其他分子碰撞，保持分子能量，提高附着力。

镀膜中，氧化被视为污染，镀膜纯度取决于到达基片的膜材和污染（contamination）的比例。为了控制镀膜纯度，为了衡量所需真空度，我们需要度量。度量度量污染，度量碰撞。主要有两个度量：平均自由程揭示碰撞可能性，气体污染的结晶时间衡量污染率。

分子随机运动，相互碰撞，方向转移。两次碰撞见的平均距离叫平均自由程（mean free path，mfp），它取决于分子大小，气压，温度。计算它需要知道分子直径，分子密度，分子平均速度。根据经验，可用一个简单公式 mfp = （6.4E-3）/ 气压（mbar）。Mfp和气压几何级呈现线性关系，1 std atm下，大概为63纳米，E-4mbar下大概为5厘米， E-6下大概为50厘米，E-5大概8米。如果真空度足够低，自由程大，镀膜是瞄准线式增长的（deposited by a line of sight），否则碰撞过多，就是其他形状。真空蒸镀中，一般设定真空度到E-5，镀膜开始后有放气，实际能达到E-4，平均自由程大致为半米，足够应付大多数机器设计，然而这时平局自由程，实际上还是会发生碰撞，，气体散射多少还会发生（gas scattering），影响成膜效果。

气体分子（污染物）结晶到基片的时间同样受压力和分子密度影响。假设附着系数为1，所有到达基片的气体污染分子都附着了，那么 在E-3条件下结晶要1毫米，E-4条件下0.01秒，E-5下0.1秒，E-6条件下要1秒。镀铝中，假设卷绕速度（winding speed）为 600m/min， 实际E-4气压条件下，基片通过镀膜区的时间为0.1秒，那么在铝分子到达基片的同时，0.1/0.01 = 10 层污染结晶形成，按照典型镀膜厚度，这大概是1-2%的污染率。 卷绕越慢，气压约高，污染率越高。