2. 真空与等离子体基础
PVD（物理气相沉积）的本质，是在一个被抽成低压的气体环境中，把固体靶材变成气态原子或离子，再让它们沉积到基片表面成膜。因此，理解真空与等离子体，是理解整条镀膜工艺链的起点。本节围绕五个核心概念展开：真空度的单位与量级、气体分子的运动规律、平均自由程、等离子体的产生与特性，以及辉光放电的机制。
一、真空度：单位与量级
真空度描述的是气体稀薄程度，本质上是压强。压强越低，单位体积内的气体分子数越少，真空度越高。工程上常用三种单位：帕（Pa）、毫巴（mbar）和托（Torr）。换算关系为：1 atm ≈ 101325 Pa ≈ 1013 mbar ≈ 760 Torr，即 1 Torr ≈ 133.3 Pa，1 mbar = 100 Pa。PVD 设备中，粗抽阶段常用 mbar 读数，高真空阶段常用 Pa 或 Torr。
按压强量级，真空通常分为：低真空（10⁵～10² Pa）、中真空（10²～10⁻¹ Pa）、高真空（10⁻¹～10⁻⁵ Pa）、超高真空（<10⁻⁵ Pa）。磁控溅射的工作压强一般在 0.1～1 Pa（中真空偏高端），蒸发镀膜常在 10⁻³～10⁻² Pa，而某些要求极纯净的工艺会进入 10⁻⁵ Pa 量级。真空度直接决定气体分子密度，进而决定粒子的碰撞频率与能量损失。
二、气体分子运动与平均自由程
气体分子处于永不停息的无规则热运动中，其平均速率由温度决定。对同一种气体，分子平均速率 v̄ 与温度 T 的平方根成正比。室温下，空气分子的平均速率约为 500 m/s，氩气约为 400 m/s。分子在飞行中不断与其他分子碰撞，两次连续碰撞之间走过的平均距离，就是平均自由程 λ。
平均自由程与压强成反比、与温度成正比，可用下式估算：
λ = kT / (√2 · π · d² · p)
k：玻尔兹曼常数 1.38×10⁻²³ J/K
T：气体温度（K）
d：分子有效直径（m），氩气约 3.6×10⁻¹⁰ m
p：气体压强（Pa）以氩气、室温 300 K 为例，代入可得近似关系：λ ≈ 0.0067 / p（p 单位为 Pa，λ 单位为 m）。据此可估算：
| 压强 p | 平均自由程 λ（氩气，300 K） | 典型工艺场景 |
|---|---|---|
| 1×10⁵ Pa（常压） | 约 6.7×10⁻⁸ m（67 nm） | 大气环境 |
| 1 Pa | 约 6.7×10⁻³ m（6.7 mm） | 磁控溅射工作区 |
| 1×10⁻² Pa | 约 0.67 m | 蒸发镀膜 |
| 1×10⁻⁴ Pa | 约 67 m | 高真空，分子间几乎不碰撞 |
这张表揭示了 PVD 的核心逻辑：在 1 Pa 量级，λ 只有几毫米，与靶—基片距离（通常 5～15 cm）同量级，溅射原子在飞行途中会经历多次碰撞，被气体散射、热化，到达基片时能量下降；而在 10⁻³ Pa 以下，λ 远大于腔体尺寸，蒸发原子几乎直线飞行，能量损失小，膜层更致密但绕射性差。因此，压强是调节“粒子输运方式”的关键旋钮。
三、等离子体的产生与特性
等离子体是部分电离的气体，由电子、离子、中性原子和自由基组成，宏观上呈电中性，被称为物质的第四态。在 PVD 中，等离子体的作用是把靶材原子电离、激活，并为溅射提供高能离子轰击。
产生等离子体的基本条件是：向低压气体施加足够强的电场，使自由电子获得能量，通过碰撞使中性原子电离，形成电子—离子对。这一过程称为电子碰撞电离：
e⁻ + Ar → Ar⁺ + 2e⁻新产生的电子又被电场加速，继续电离更多原子，形成雪崩式增长。当电离速率与电子损失速率（复合、扩散到壁面）达到平衡时，等离子体维持稳定。等离子体的关键特性包括：
- 准电中性：正负电荷密度近似相等，宏观不显电性，但局部存在鞘层电位。
- 高电导率：电子可自由移动，等离子体能传导电流、响应电磁场。
- 电子温度远高于离子温度：电子质量小，容易被电场加速，典型电子温度 1～10 eV，而离子接近室温。
- 鞘层：在等离子体与电极/壁面交界处形成几毫米厚的正电荷层，电压降集中于此，是离子加速的关键区域。
四、辉光放电机制
辉光放电是低压气体在直流电场下的一种自持放电形式，也是磁控溅射和离子镀的物理基础。其典型结构从阴极到阳极依次为：阿斯顿暗区、阴极辉光、克鲁克斯暗区、负辉光、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光。其中，克鲁克斯暗区是电压降最集中、离子加速最剧烈的区域，靶材通常置于此处，被高能离子轰击而溅射。
辉光放电的建立过程可概括为：加电压→少量自由电子被加速→碰撞电离→电子雪崩→电流增大→气体击穿→形成稳定辉光。击穿电压与气体种类、压强和电极间距有关，遵循帕邢定律：在某一 p·d 乘积下击穿电压最低。磁控溅射正是利用磁场约束电子，延长电子路径、提高电离效率，从而在较低压强（0.1～1 Pa）下维持放电。
五、把参数串起来看
把上述概念连成一条逻辑链：真空度决定分子密度，分子密度决定平均自由程，平均自由程决定粒子在靶—基片之间的输运方式（碰撞散射还是直线飞行）；同时，真空度与电场共同决定等离子体的电离率和辉光放电的稳定性。磁控溅射之所以能在 0.1～1 Pa 这样“不高不低”的压强下工作，正是因为磁场把电子约束在靶面附近，使电子路径变长、电离效率提高，从而在较低压强下仍能维持足够强的辉光放电和离子轰击。
理解这些基础关系后，后续讨论溅射产额、膜层均匀性、靶中毒和工艺窗口时，就能回到“压强—自由程—碰撞—能量”这条主线上进行判断，而不是孤立地记忆参数。