简而言之，真空对于溅射镀膜是必不可少的。它的主要目的是从沉积腔室中去除空气和其他不需要的气体。这一步至关重要，原因有二：它能防止所制备薄膜的污染，并且它使溅射的物理过程成为可能。
溅射是一个原子级传输过程。将真空腔室想象成一条高速公路。真空的作用是清除所有交通（空气分子），以便溅射原子可以直接从源靶材传输到目标基板，而不会发生碰撞或化学反应。
真空在溅射中的双重作用
要理解真空的必要性，我们必须了解它是如何解决两个不同问题的：一个化学问题（纯度）和一个物理问题（传输）。未能解决其中任何一个都将导致沉积失败。
支柱1：确保化学纯度
最直观的真空原因是为了防止污染。我们周围的空气是反应性气体的混合物，主要有氮气（约78%）和氧气（约21%），以及水蒸气和其他微量元素。
防止不必要的反应
当您沉积一层钛（Ti）等材料的薄膜时，您希望最终的薄膜是纯钛。如果腔室中存在氧分子，它们会很容易与高能钛原子反应形成二氧化钛（TiO₂），从而从根本上改变薄膜的性能。
控制薄膜性能
这种“污染”会极大地改变薄膜的电学、光学和机械特性。不必要的氧化物或氮化物层可以将导电薄膜变成绝缘体，或者改变光学涂层的颜色和折射率。高真空确保您沉积的薄膜是您预期的材料。
支柱2：实现物理过程
也许更关键的是，溅射过程需要真空才能有效运行。这由一个称为平均自由程的原理决定。
理解平均自由程
平均自由程是原子在与另一个原子或分子碰撞之前可以行进的平均距离。在正常大气压下，这个距离非常短——在纳米尺度上。
为沉积清除路径
从靶材溅射出的原子几乎会立即与数十亿个空气分子碰撞。它会失去能量，永远无法到达基板。通过将腔室抽至高真空（例如，10⁻⁶托），我们将平均自由程增加到数十甚至数百米，远长于腔室尺寸。
维持稳定的等离子体
溅射依赖于产生等离子体，通常由惰性气体（如氩气）形成。氧气或氮气等其他气体的存在会干扰等离子体的产生和稳定性，使溅射过程效率低下且难以控制。去除空气可确保维持纯净、稳定的氩等离子体。
理解权衡和细微差别
并非所有真空都是相同的。真空的质量直接影响薄膜的质量，而获得更好的真空会增加时间和设备复杂性成本。
高真空（HV）与超高真空（UHV）
对于大多数工业和装饰涂层，10⁻⁵至10⁻⁷托范围内的高真空（HV）就足够了。这个水平足以确保较长的平均自由程，并将反应性气体污染降低到许多应用可接受的水平。
对于半导体制造或先进光学涂层等高度敏感的应用，需要超高真空（UHV）（10⁻⁹托或更低）。这最大限度地减少了即使是微量污染物（如水蒸气），这对于实现特定的电子或光学性能至关重要。
放气问题
即使在完全密封的腔室中，吸附在腔室内表面（尤其是水蒸气）上的分子也会释放到真空中，成为污染源。这就是为什么溅射系统通常在沉积开始前进行长时间抽气或在高温下“烘烤”以驱除这些被困分子。
为您的目标做出正确选择
所需的真空水平完全取决于最终应用的敏感性。
- 如果您的主要重点是装饰性或保护性涂层：标准高真空（HV）足以确保良好的附着力和所需的外观。
- 如果您的主要重点是高性能电子产品或光学器件：高质量的HV或入门级UHV系统对于防止化学杂质导致的性能下降至关重要。
- 如果您的主要重点是基础材料科学研究：UHV系统是必不可少的，以确保您测量的特性是材料本身的固有特性，而不是污染造成的假象。
最终，控制真空环境是所有高质量薄膜沉积的基础。
总结表：
| 真空的作用 | 主要益处 | 典型压力范围 |
|---|---|---|
| 化学纯度 | 防止与空气（O₂、N₂、H₂O）反应 | 10⁻⁵至10⁻⁷托（HV） |
| 物理过程 | 通过长平均自由程实现原子传输 | 10⁻⁹托或更低（UHV） |
| 等离子体稳定性 | 维持纯净、稳定的氩等离子体 | 根据应用而异 |
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