2. 真空技术基础：真空度概念、真空区域划分、真空泵工作原理
在薄膜沉积工艺（CVD 与 PVD）中，真空环境是决定薄膜质量、纯度与附着力的核心前提。本章系统讲解真空度的物理定义、真空区域的划分标准，以及三种主流真空泵（机械泵、分子泵、低温泵）的工作原理与适用场景。
2.1 真空度概念
真空度是指气体稀薄程度的物理量，通常用气体压强（单位：Pa 或 Torr）来表征。压强越低，真空度越高，气体分子数密度越小，平均自由程越大。
| 物理量 | 定义 | 常用单位 | 换算关系 |
|---|---|---|---|
| 压强 (P) | 单位面积上气体分子碰撞器壁的力 | Pa (N/m²) | 1 Pa = 7.5×10⁻³ Torr |
| 分子数密度 (n) | 单位体积内的气体分子数 | m⁻³ | n = P/(kBT) |
| 平均自由程 (λ) | 分子两次碰撞间飞行的平均距离 | m | λ ∝ 1/P |
| 单分子层形成时间 (t) | 洁净表面被一个单分子层覆盖所需时间 | s | t ∝ 1/P |
工艺提示：在 PVD 溅射中，通常要求真空度优于 5×10⁻⁴ Pa，以保证靶材表面不被残余气体污染；在 CVD 中，反应腔本底真空度通常需达到 10⁻³ Pa 量级，以减少杂质掺入。
2.2 真空区域划分
根据压强范围，真空通常划分为以下五个区域，每个区域对应不同的气体流动状态和泵组配置：
2.3 真空泵工作原理
薄膜沉积系统通常采用多级泵组组合抽气，以实现从大气压到高真空的连续过渡。以下为三种核心泵的工作原理与特性对比。
2.3.1 机械泵（旋片泵）
工作压强范围：大气压 ~ 10⁻¹ Pa
原理：利用偏心转子与旋片在泵腔内旋转，周期性改变腔室容积，实现气体的吸入、压缩与排出。
- 优点：结构简单、成本低、可直排大气。
- 缺点：极限真空有限（约 0.1 Pa），存在油蒸气返流污染。
- 应用：作为前级泵，为分子泵或低温泵提供预真空。
2.3.2 分子泵（涡轮分子泵）
工作压强范围：10⁻¹ ~ 10⁻⁷ Pa（需前级泵配合）
原理：利用高速旋转的涡轮叶片（转速 20,000 ~ 90,000 rpm）对气体分子施加定向动量，将气体从入口推向出口。
- 优点：无油污染、抽速大、极限真空高。
- 缺点：不能直排大气，需前级泵；对重气体抽速优于轻气体。
- 应用：PVD 溅射、CVD 反应腔的主抽泵。
2.3.3 低温泵（冷凝泵）
工作压强范围：10⁻³ ~ 10⁻⁸ Pa
原理：利用低温表面（通常由制冷机冷却至 10 ~ 20 K）冷凝或吸附气体分子，将其捕获在冷面上。
- 优点：极限真空极高、无油、对所有气体均有抽速。
- 缺点：需定期再生（升温释放捕获气体）；不能连续处理大流量气体。
- 应用：超高真空环境、分子束外延（MBE）、表面分析设备。
2.4 三种真空泵对比总结
| 泵类型 | 工作压强范围 (Pa) | 核心原理 | 优点 | 缺点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 机械泵 | 10⁵ ~ 10⁻¹ | 容积压缩 | 成本低、可直排大气 | 极限真空低、油污染 | 前级泵、粗抽 |
| 分子泵 | 10⁻¹ ~ 10⁻⁷ | 动量传递 | 无油、高真空、大抽速 | 需前级泵、对轻气体抽速差 | PVD/CVD 主泵 |
| 低温泵 | 10⁻³ ~ 10⁻⁸ | 低温冷凝/吸附 | 极限真空极高、无油 | 需再生、不能连续大流量 | 超高真空、MBE |
工程要点：典型的薄膜沉积系统采用“机械泵 + 分子泵”两级泵组配置。机械泵先将腔体从大气压抽至 1~10 Pa，然后分子泵启动将真空度提升至 10⁻⁴ Pa 以上。对于需要超高真空的工艺（如 MBE），则需在分子泵后串联低温泵或离子泵。
2.5 真空测量与检漏
真空度的准确测量是工艺控制的基础。不同压强范围需使用不同的真空计：
- 皮拉尼真空计（热导式）：适用于 10⁵ ~ 10⁻¹ Pa，利用气体热导率随压强变化的原理。
- 冷阴极电离真空计（潘宁计）：适用于 10⁻¹ ~ 10⁻⁷ Pa，利用气体放电电流与压强的关系。
- 热阴极电离真空计（B-A 计）：适用于 10⁻³ ~ 10⁻⁹ Pa，精度高，但灯丝易烧毁。
注意：真空计必须根据实际工作压强范围选择，且需定期校准。在薄膜沉积过程中，工艺气体通入后真空计读数会上升，此时需区分“本底真空”与“工作真空”。