为什么薄膜沉积需要真空？真空在实现纯度和精度方面的关键作用

在薄膜沉积中，真空至关重要，它能在沉积腔内创造一个高度受控、无颗粒的环境。这不是一个可选步骤，而是基本要求。真空确保所需材料的粒子可以从源头传输到基底，而不会与空气中的原子碰撞或反应，从而保证所得薄膜的纯度和结构完整性。

真空的核心目的不仅仅是去除空气，而是要绝对控制工艺环境。这种控制使得能够制造出纯净、致密且可预测的薄膜，并具有先进设备所需的特定电学、光学或机械性能。

为什么大气会阻碍高质量薄膜生长

要理解对真空的需求，我们首先必须认识到我们正常的空气是一种致密、反应活跃的粒子“汤”。对于纳米尺度的过程来说，这种大气环境是混乱的，完全不适合精密工作。

沉积粒子必须从源头（“靶材”）传输到目的地（“基底”）。在标准大气中，这条路径挤满了数十亿个氮、氧和水分子。

从源头喷射出的材料粒子将不可避免地与这些大气气体分子碰撞。每次碰撞都会使粒子偏离方向并降低其能量，阻止其到达基底或以不足的能量到达，从而无法形成致密、附着良好的薄膜。

这个概念由平均自由程定义——粒子在撞击另一个粒子之前可以行进的平均距离。在真空中，平均自由程从纳米扩展到数米，从而在源头和基底之间形成清晰、畅通无阻的“视线”。

薄膜的特点是其纯度。即使是微量的非预期材料也会大大改变其性能。

大气中含有氧气、水蒸气、氮气和灰尘。如果这些粒子在沉积过程中存在，它们将嵌入到生长的薄膜中。

这种污染会破坏薄膜所需的性能。例如，导电薄膜中意外的氧原子会降低其导电性，而光学涂层中的杂质会降低其透明度。如果没有首先去除这些大气污染物，就不可能实现高薄膜纯度。

许多用于薄膜沉积的材料具有高反应性，尤其是在这些工艺中常见的加热到高温时。

最常见和有害的反应是氧化。如果腔室中存在氧气，它会很容易与热的沉积材料反应，形成非预期的氧化层，而不是预期的纯材料。

这从根本上改变了薄膜的化学成分，例如，将纯金属层变成导电性较差甚至绝缘的金属氧化物。真空环境使工艺缺乏这些反应性气体。

虽然至关重要，但创建和维护真空并非没有挑战。认识到这些权衡是理解工艺设计和制造限制的关键。

实现高真空需要复杂且昂贵的设备。这包括一个密封腔室和一系列泵，例如用于去除大部分空气的机械“粗抽”泵和用于去除剩余分子的高真空泵（如涡轮分子泵或低温泵）。这大大增加了任何沉积系统的成本和复杂性。

达到所需的真空水平并非一蹴而就。将腔室抽至目标压力的时间称为抽气时间。

对于超高真空（UHV）系统，这可能需要几个小时。这种非生产时间直接影响制造吞吐量，在高产量生产环境中造成瓶颈。

并非所有材料都适用于高真空环境。某些材料，特别是聚合物或具有高蒸汽压的材料，会“放气”，在真空下释放出截留的气体。这会污染工艺并使达到所需真空水平变得困难。

所需的真空水平与最终应用可接受的杂质水平直接相关。要求越高的应用需要越好的（压力越低的）真空。

最终，真空是任何先进薄膜器件质量和可靠性的无形基础。