对于大多数工业PVD应用，所需的基底压力通常设定在1x10⁻⁴到1x10⁻⁶ Torr的高真空范围。虽然一些高纯度应用，例如半导体行业中的应用，要求低于10⁻⁸ Torr的超高真空（UHV），但关键是为正在沉积的特定薄膜创造一个足够洁净的环境。
PVD中真空的主要目标是去除不需要的气体分子。这确保了汽化的涂层颗粒能够从源头无碰撞或化学反应地传输到基底上，这对于制造纯净、致密且附着良好的薄膜至关重要。
为什么真空在PVD中是不可或缺的
实现低压环境是任何PVD过程的基础步骤。真空的质量直接影响最终涂层的质量。
消除污染
在大气压下，腔室中充满了氧气、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，它们将与汽化的材料发生反应，产生非预期的化合物（如氧化物）并将杂质掺入薄膜中，从而降低其性能。
确保沉积的直线路径
最关键的概念是平均自由程——一个粒子在与另一个粒子碰撞之前可以行进的平均距离。在高真空中，平均自由程被延长到比材料源和基底之间的距离更长。
这确保了汽化的材料沿着直线、视线路径传输，从而形成均匀致密的涂层。没有真空，粒子会散射，导致薄膜多孔、不均匀且附着不良。
控制过程环境
一旦达到高真空基底压力，所有不需要的背景气体都已被清除。这创建了一个干净的起点，如果需要，可以精确地引入特定的工艺气体。例如，在反应性PVD中，会引入受控量的氮气以形成氮化钛（TiN）涂层。
不同目标的真空水平
“真空”一词不是一个单一的状态；它是一个压力谱。所需的水平完全取决于应用对杂质的敏感程度以及所需的薄膜特性。
高真空（10⁻⁴ 至 10⁻⁶ Torr）
这是绝大多数工业PVD应用的工作范围。它为装饰性涂层、工具上的硬质涂层（例如TiN）和许多光学薄膜提供了足够洁净的环境。它在薄膜质量、成本和工艺时间之间提供了极佳的平衡。
超高真空（UHV）（10⁻⁸ Torr及更低）
对于即使微量污染也可能导致器件失效的应用，需要UHV。这是半导体制造、先进研究以及需要最高薄膜纯度和密度的应用的领域。
理解权衡
选择目标真空水平是一项关键决策，需要在技术要求和实际限制之间取得平衡。
纯度与成本和复杂性
实现更低的压力需要更先进、更昂贵的设备，例如涡轮分子泵或低温泵，而不是更简单的扩散泵。腔室设计和材料也必须更坚固，以防止泄漏和释气，从而显著增加资本成本。
质量与吞吐量
将腔室抽至UHV所需的时间比达到标准高真空所需的时间要长得多。这种延长的循环时间会减少可以处理的批次数，直接影响制造吞吐量。更高质量薄膜的成本通常是更长的处理时间。
为您的目标做出正确的选择
您的目标真空水平应由最终产品的不可妥协的要求来驱动。
- 如果您的主要重点是工业硬质涂层或装饰性涂层： 10⁻⁵ 至 10⁻⁶ Torr范围的高真空是标准且最具成本效益的解决方案。
- 如果您的主要重点是半导体制造或高纯度光学薄膜： 需要能够达到10⁻⁸ Torr或更低压力的超高真空（UHV）系统，以消除污染物。
- 如果您的主要重点是研发： 您的系统应能够达到尽可能低的压力，为广泛的实验提供一个干净的基线。
最终，真空水平必须足够好，以确保平均自由程超过腔室尺寸，并且残余气体污染低于您的特定工艺的容忍度。
摘要表：
| 应用类型 | 典型真空范围 | 主要目的 |
|---|---|---|
| 工业PVD（硬质涂层、装饰性） | 10⁻⁴ 至 10⁻⁶ Torr（高真空） | 质量、成本和吞吐量的平衡 |
| 高纯度应用（半导体、研究） | < 10⁻⁸ Torr（超高真空） | 消除微量污染物以达到最终纯度 |
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