简而言之，电子束蒸发需要两种不同的真空度。腔室首先被抽真空到高真空（HV）或超高真空（UHV）范围的本底压力，通常在10⁻⁷到10⁻⁹托之间。在实际沉积过程中，由于加热材料的放气，压力会略微上升到约10⁻⁵到10⁻⁶托的工艺压力。
对这种高真空度的核心要求不仅仅是为了去除空气，更是为了创造一个“无碰撞”的路径。高真空确保蒸发原子从源头直线传播到基板，防止污染并确保纯净、高质量的薄膜。
为什么电子束蒸发需要高真空
了解真空的作用对于控制沉积薄膜的质量至关重要。整个过程都依赖于创造一个尽可能空的环境，原因有三点。
平均自由程（MFP）的概念
平均自由程（MFP）是粒子在与其他粒子碰撞之前可以传播的平均距离。在高真空环境中，MFP非常长，通常以米甚至公里计算。
这种长MFP至关重要。它保证了从源材料蒸发出来的原子以直线、视线路径直接到达基板，而不会与氧气或氮气等残余气体分子发生碰撞。
如果没有足够的真空，这些碰撞会散射蒸发原子，导致薄膜不均匀、密度低且附着力差。
防止污染和不必要的反应
腔室中的残余气体，特别是氧气和水蒸气，具有高度反应性。当电子束将源材料加热到熔点时，这些反应性气体很容易掺入正在生长的薄膜中。
这种污染会极大地改变薄膜所需的性能，例如其光学透明度、电导率或机械硬度。高真空最大限度地减少了这些污染物的存在，确保了最终薄膜的纯度。
保护电子枪
电子束由热钨灯丝产生。如果在较差的真空度下操作，残余氧气会迅速氧化并损坏该灯丝，导致过早失效和昂贵的停机时间。
因此，高真空是电子枪本身稳定和长期运行的先决条件。
解释两种关键真空度
“本底压力”和“工艺压力”这两个术语不可互换。它们各自代表沉积过程的不同阶段，并能说明系统健康状况的不同方面。
本底压力：为纯度奠定基础
本底压力是真空系统在沉积过程开始之前所能达到的最低压力。它是腔室清洁度和完整性的直接衡量标准。
低本底压力（例如，5 x 10⁻⁷托）表明腔室泄漏极少，并且其内表面吸附的水蒸气和其他污染物含量较低。在开始蒸发之前，达到良好的本底压力是一个关键的质量关卡。
工艺压力：沉积的实际情况
工艺压力是实际蒸发期间保持的真空度。此压力总是高于本底压力。
当电子束强烈加热源材料时，材料本身（以及周围的加热组件）会释放出被困气体，这种现象称为放气。这会导致压力升高。电子束蒸发典型的稳定工艺压力在10⁻⁶到10⁻⁵托的范围内。
了解权衡和陷阱
实现正确的真空度是工艺要求、设备能力和时间之间的平衡。误解这种平衡会导致常见问题。
本底压力不足的危险
在达到足够的本底压力之前开始沉积是由于追求速度而常犯的错误。
这种选择直接损害了薄膜质量。高本底压力意味着腔室仍然被水蒸气和其他气体污染，这些气体将不可避免地掺入您的薄膜中，导致附着力差、应力高以及次优的光学或电学性能。
成本与质量的等式
追求超高真空（UHV，<10⁻⁹托）提供了绝对最纯净的环境，但会带来设备（离子泵、烘烤系统）和时间上的巨大成本。
对于大多数工业应用，如光学涂层，高真空系统（10⁻⁷托本底压力）是实用的选择。它在薄膜质量和吞吐量之间提供了极佳的平衡。关键在于将真空度与材料的敏感性和应用要求相匹配。
泄漏与放气
解决真空问题通常归结为区分泄漏和放气。如果您将真空腔室与泵隔离，并且压力迅速持续上升，则很可能存在泄漏。
如果压力一开始迅速上升，然后显著减慢，则问题更可能是来自受污染表面或源材料的放气。这些知识对于高效故障排除至关重要。
为您的应用选择合适的真空度
您的目标真空度应由薄膜的预期结果决定。使用这些指南来设定您的目标。
- 如果您的主要关注点是用于研发或敏感电子设备的高纯度薄膜：争取您的系统能达到的最低本底压力（理想情况下为10⁻⁷托或更低），以最大限度地减少所有污染源。
- 如果您的主要关注点是光学涂层等应用的生产吞吐量：在10⁻⁶到10⁻⁵托范围内的稳定工艺压力是稳健且被广泛接受的行业标准。
- 如果您正在解决附着力差或外观模糊等薄膜缺陷：您的第一步应该是验证您在每次运行前是否达到了目标本底压力，如果未达到，请进行泄漏检查。
最终，掌握真空控制是实现可重复、高质量薄膜沉积的第一步也是最关键的一步。
总结表：
| 真空度 | 压力范围（托） | 目的 |
|---|---|---|
| 本底压力 | 10⁻⁷到10⁻⁹ | 腔室清洁度，最小化污染 |
| 工艺压力 | 10⁻⁵到10⁻⁶ | 稳定的沉积环境，考虑放气 |
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