为什么沉积腔室需要高真空？这对薄膜沉积中的纯度和控制至关重要

从根本上讲，沉积腔室需要高真空是出于两个基本原因：确保沉积材料的纯度，并为粒子从源头传输到基板提供清晰、无阻碍的路径。如果没有高真空，空气中的原子——主要是氧气、氮气和水蒸气——会污染薄膜，并与沉积粒子碰撞，使其散射，从而阻止形成致密、均匀的层。

高真空的主要目的不仅仅是去除空气，而是创造一个受控的、超洁净的环境。这确保了到达目标基板的唯一原子是预期的沉积材料，从而能够制造出具有精确化学、电学和机械性能的薄膜。

核心原则：纯度和路径

实现高质量的薄膜是一场原子级别的控制游戏。腔室内部的环境是决定结果的最重要因素，而高真空提供了对该环境所需的控制。

我们呼吸的空气是反应性气体混合物。如果这些气体分子残留在腔室中，它们会很容易与沉积的高能原子发生反应。

这会导致薄膜中意外形成氧化物和氮化物，从而极大地改变其性能。例如，用于镜子的纯铝薄膜会变成朦胧的氧化铝薄膜，从而破坏其反射率。

高真空将这些反应性背景气体去除到其影响可以忽略不计的水平，确保沉积的薄膜与其源材料一样纯净。

在物理学中，平均自由程 (MFP) 是一个粒子在与另一个粒子碰撞之前所移动的平均距离。

在大气压下，平均自由程非常短——仅在纳米尺度上。沉积原子会与数十亿个空气分子碰撞，在到达基板之前就向随机方向散射。

通过创造高真空，我们大大减少了腔室中的分子数量，将平均自由程从纳米级增加到许多米——远远超过腔室本身的尺寸。这保证了从源到基板的直接、视线轨迹，这对于形成致密和均匀的薄膜至关重要。

纯度和路径的原理对最终产品有直接、可衡量的影响。从低真空过渡到高真空从根本上改变了沉积过程的质量和可靠性。

高真空创造了一个干净的起点。一旦腔室中不需要的气体被抽空，就可以以精确的量引入特定的、高纯度的工艺气体。

这对于反应性沉积至关重要，在这种沉积中，会故意添加氮气或氧气等气体以形成化合物薄膜，例如氮化钛 (TiN)。只有当背景真空足够干净，使得刻意引入的气体成为主要反应物时，该过程才能成功。

碰撞和污染会产生缺陷。在低真空下沉积的薄膜通常是多孔的，与基板的附着力差，并且具有很高的内应力。

相比之下，在高真空下生长的薄膜更致密、更坚固，并且与基板表面的附着力要好得多。原子的直接路径使它们能够排列成更理想的晶体结构，空隙和杂质更少。

环境条件，尤其是湿度，会不断变化。依赖于低质量真空的工艺在干燥的冬日和潮湿的夏日会产生不同的结果。

高真空系统为每一次运行提供了一个一致、可重复的起始环境。这种可靠性是任何可扩展制造过程（从半导体制造到光学涂层）的基础。

实现和维持高真空是一项重大的工程挑战，涉及特定的硬件和程序，每项都有其自身的成本和效益。

低真空系统中常见的简单弹性体O形圈不适用于高真空，因为它们会吸收气体（尤其是水）并缓慢释放它们，这个过程称为放气。

这就是高真空系统使用全金属密封件（如Conflat (CF) 法兰）的原因。这些法兰可以被加热或“烘烤”到高温。

烘烤腔室为吸附在内部表面的水分子提供能量，帮助它们脱离，以便被泵出。这是达到超高真空 (UHV) 水平的关键步骤，因为水蒸气是最持久、最难去除的污染物。

达到高真空并非一蹴而就。它通常需要一系列泵——首先是“粗抽”泵以去除大部分空气，然后是“高真空”泵（如涡轮分子泵或低温泵）以去除剩余的分子。

这个过程需要时间，称为“抽空时间”，它直接影响工艺的吞吐量。复杂的泵和硬件也构成了系统成本的很大一部分。因此，真空度是所需薄膜质量与可接受的操作成本和时间之间的权衡。

所需的真空度完全取决于最终薄膜所需的性能。

最终，您的真空环境的质量直接决定了您沉积薄膜的质量。

关键因素	高真空的影响
薄膜纯度	防止氧气、氮气和水蒸气污染，确保沉积材料的纯净。
平均自由程	增加粒子传播距离，允许直接的视线沉积以形成均匀的层。
薄膜质量	实现致密、坚固且附着良好的薄膜，具有精确的化学和机械性能。
工艺可重复性	为可靠和可扩展的制造结果提供一致、受控的环境。