行業科普｜真空到底是什麼？人類利用真空製作薄膜的歷史

博頓導讀

我們有的客戶是以利用真空鍍膜設備來製作薄膜，所以在製作真空薄膜時必須理解的基本事項博頓君也有學習，希望能協助客戶最大限度的活用我們出品的真空鍍膜設備。今天分享人類利用真空製作薄膜的歷史，希望與大家共同探討學習。

真空是什麼？

到底真空是指怎樣的狀態呢？根據日本工業規格JIS解釋真空狀態是指「一定空間內的氣體壓力比大氣壓低的狀態」。使用某種方法把某個容器中的空氣排除，使容器內部呈空氣稀薄狀態也可以說是真空狀態。雖說終極的真空是指什麼都不存在的空間，但在地球上製造出來的真空，其實還殘留大量的氣體。比如說就算艱苦制出一個10-12Pa的空間，1L中還殘留這105個氣體分子。但是如果在大氣壓下，1L中存在1022程度的氣體。可想而知105已經是個非常小的數值。

利用真空製作薄膜的歷史

首先，我們來重溫一下真空和薄膜製作的歷史。

1852年，通過W.R.Grove的濺鍍現象（後述）首次發現真空中能生成薄膜。但上述的濺鍍現象僅是發現真空放電管的陰極會通過濺射被削減從而汙染管壁，而並不能用於製作薄膜。隨後的放電管的研究開發，都是以怎樣才能減少濺鍍現象為主題。但在不久後的1857年M.Faraday嘗試了真空蒸鍍（後述），因為這是以製作薄膜為目的而進行的，所以可以說是最古老的在真空中製作薄膜的方法。可是，因為當時的真空技術處於極低水平，要把這個方法實用化花費了很長時間。終於，在1930年研究有了新的突破。以油作為驅動能源的擴散泵（後述）的發明為契機，真空技術實現了高速的發展，而真空蒸鍍也因此成為了實用技術。

一直以來用化學手法製作的鏡片的防反射膜變成了用真空蒸鍍來製作，光學薄膜也得到了很大的發展。特別是第二次世界大戰時，如潛水艇的潛望鏡那麼複雜的光學部件，品質的優劣能直接影響到戰果，所以防反射膜是不可缺少的。那麼實際上的效果到底如何呢？我們一起來看看。潛望鏡一般是由15〜25個鏡片或稜鏡組成，所以接觸到空氣的反射面有30〜50個。假設反射面有40個，由折射率約為1.52的玻璃組成的話，根據空氣和玻璃的折射率不同，每透過1個反射面，光量就會減少到96%，而透過40面的話，光量就會減少到只得19.5%。而且，各面的反射光是為雜散光，會產生重影、耀斑等使鏡像的對比度降低。如果於各反射面鍍上單層的防反射膜的話，1面的透過率會提高到98.7%，透過40面後光量仍保持在59%，竟然是原來的3倍！再假設鍍上當時還沒被實用化的多層防反射膜，那麼1面的透過率會達到99.8%，透過40面後的光量能達到92%。

戰後，照相機等光學產業在日本非常興盛，從而使真空蒸鍍防反射膜的研究也非常盛行。尤其是1964年，東京奧林匹克運動會開幕，彩色電視直播為光學市場帶來了一個新的轉機。由於電視攝像機的鏡片構成非常複雜，為了提高透光率和使色彩的表現更自然，不惜運用龐大預算來投資設備開發，成功使電子槍蒸發源實用化，終於能實現多層防反射膜的蒸鍍。

在電能、裝飾等方面也會利用真空蒸鍍技術，作為新技術的代表，真空蒸鍍被研究於各種各樣應用方面。而且，真空技術的進步造就了超真空中進行的分子線蒸鍍技術（Molecular Beam Epitaxy:MBE）的誕生，並與等離子融合發明了一種名為Ion Plating的新方法。

另一方面，濺鍍技術於長期間一直在研究怎樣能防止放電管的陰極被濺射時產生的管壁汙染，這一研究可稱得上是濺鍍技術開發的障礙物。利用濺射現象成膜的應用研究，主要在美國進行，終於在1960年代開始作為實用技術被廣泛利用。之後研究一直活躍進行，現今濺鍍技術已成為非常重要的成膜技術。

上述的成膜方法主要是將形成薄膜的物質加熱蒸發，或是利用氣態離子的活動能量濺射之類的物理方法，所以也被稱為物理蒸鍍法（Physical Vapor Deposition: PVD）。相對另一方面，在原料中導入化合物氣體，利用其產生的化學反應成膜的技術則稱為化學蒸鍍法（Chemical Vapor Deposition: CVD）。CVD的原理早在1930年代已被發現，但正式實用化是在1950年代後期的德國，利用此原理製作的碳化鈦膜被用作耐磨耗材料。1960年代，被運用於半導體外延生長，成為有力的成膜技術。初期，化學反應一般是利用熱能，並且是在大氣壓環境下進行，但由於需要基板溫度為1500℃的環境，所以用途被大大限制。之後開發出在減壓環境下進行的方法，處理溫度降低到800℃左右。CVD和真空的關係只限於把原料氣體導入器排氣到真空，除去不必要的氣體，但減壓CVD就和真空技術有著密切的關係。後來，利用等離子技術的CVD被開發，處理溫度下降到300℃，部分膜種還可以無需加熱就能製作。最近使用放電管、雷射等光促進化學反應的方法也被廣泛利用。

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