PVD真空系统中的压力并非单一值，而是一系列经过精心控制的关键水平。系统首先达到高真空基底压力，通常低于10⁻⁵托，以确保纯度。然后，对于涂层过程本身，引入惰性气体以产生10⁻²至10⁻⁴托范围内的工作压力。
物理气相沉积（PVD）涂层的质量并非由单一压力点决定，而是由基底压力（确保清洁环境）和工作压力（实现材料传输和沉积）之间的关键关系决定。
为什么真空是PVD的基础
实现深真空是任何高质量PVD过程中不可协商的第一步。这不仅仅是去除空气；它是为了创造一个精确受控的环境，用于逐个原子地构建薄膜。
消除污染
我们周围的空气中充满了氧气、氮气和水蒸气等活性气体。如果这些分子在沉积过程中存在，它们将嵌入涂层中，产生杂质，从而损害其完整性、附着力和性能。
高真空物理地将这些潜在污染物从腔室中清除。
确保畅通无阻
PVD的核心原理是将材料从源（靶材）移动到目的地（基底）。真空为这些原子提供了畅通无阻的路径。
这个概念由平均自由程定义：粒子在与另一个粒子碰撞之前可以传播的平均距离。在高真空中，平均自由程非常长，允许涂层原子直接到达基底，而不会被空气分子散射。
两个关键压力水平
理解基底压力和工作压力之间的区别对于理解PVD至关重要。它们各自服务于完全不同但同样重要的目的。
基底压力：创造纯净环境
基底压力是真空系统在过程开始之前和引入任何工艺气体之前所能达到的最低压力。它是腔室清洁度的直接衡量标准。
较低的基底压力（例如，10⁻⁷托 vs. 10⁻⁵托）表明更多的残留污染物分子已被清除。这种干净的基底对于确保最终涂层良好附着并具有所需性能至关重要。
工作压力：实现材料沉积
工作压力是在达到基底压力之后，通过有意地向腔室中回填少量受控的高纯度惰性气体（最常见的是氩气）而建立的压力水平。
这个压力高于基底压力，通常高出几个数量级。对于溅射，这种氩气对于产生轰击靶材并喷射涂层材料的等离子体是必需的。工作压力直接影响最终薄膜的密度和应力。
不正确压力的后果
偏离最佳压力范围是PVD涂层失效最常见的原因之一。其影响是可预测的，并与工艺的物理原理直接相关。
如果工作压力过高会怎样？
过高的工作压力会缩短平均自由程。溅射原子在到达基底的途中会与工艺气体发生过多碰撞。
这种“气体散射”会剥夺原子的动能。结果是薄膜密度较低、孔隙率较高，并且与基底的附着力较弱。
如果工作压力过低会怎样？
如果工作压力过低，可能没有足够的气体原子来维持稳定的等离子体（在溅射中）或调节沉积粒子的能量。
这可能导致高度应力、脆性薄膜，可能开裂或分层。它还可能导致基底上的均匀性差。
基底压力不良的问题
未能达到足够的基底压力是一个严重错误。这意味着污染物从未从腔室中完全清除。
这些污染物（特别是水蒸气）将掺入生长的薄膜中，导致附着力差、耐腐蚀性受损以及光学或电学性能改变。
根据您的涂层目标匹配真空
理想的压力设置直接取决于您的薄膜所需的结果。
- 如果您的主要重点是最大薄膜密度和纯度：优先实现尽可能低的基底压力，并在稳定工作压力的较低范围内操作。
- 如果您的主要重点是实现特定的薄膜应力（压应力与拉应力）：仔细调整工作压力，因为它是控制内部薄膜应力的主要手段之一。
- 如果您正在进行反应溅射（例如，TiN）：您最关键的参数将是反应气体（氮气）的分压，除了惰性气体工作压力外，还必须精确控制。
最终，掌握真空压力就是掌握PVD工艺的控制、纯度和性能。
总结表：
| 压力类型 | 目的 | 典型范围 | 关键影响 |
|---|---|---|---|
| 基底压力 | 创造清洁、无污染的环境 | < 10⁻⁵ 托 | 涂层纯度和附着力 |
| 工作压力 | 实现材料传输和沉积 | 10⁻² 至 10⁻⁴ 托 | 薄膜密度、应力和均匀性 |
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