2. 真空系统基础

真空系统是真空镀膜设备的核心基础。没有合适的真空环境，薄膜沉积过程中的气体分子碰撞、杂质污染、等离子体稳定性等关键指标都无法得到保障。本章从真空度的基本定义出发，系统梳理真空区域的划分标准，并深入解析四种核心真空泵的工作原理与选型要点。

2.1 真空度的定义与单位

真空度 是指气体稀薄程度的物理量，通常用气体压强来表示。压强越低，真空度越高。

• 定义： 单位体积内气体分子数越少，气体压强越低，真空度越高。
• 国际单位（SI）： 帕斯卡（Pa），1 Pa = 1 N/m²。
• 常用单位换算：

2.2 真空区域划分

根据压强范围，真空通常划分为四个区域。不同镀膜工艺对真空区域的要求差异显著。

2.3 真空泵的种类与工作原理

真空泵是实现真空环境的核心执行元件。根据工作原理，可将其分为 气体传输泵 和 气体捕集泵 两大类。在镀膜系统中，通常采用多级泵组串联的方式，从大气压逐步抽至目标真空度。

2.3.1 旋片泵（Rotary Vane Pump）

类型： 油封式机械泵，属于气体传输泵。
工作压强范围： 大气压 ~ 10^-1 Pa。
典型应用： 前级泵，为罗茨泵或分子泵提供预真空。

• 工作原理： 偏心转子带动旋片在定子腔内旋转，通过容积周期性变化完成吸气、压缩、排气过程。旋片与定子之间靠油膜密封。
• 关键参数： 抽速（L/s 或 m³/h）、极限压强、油蒸气返流率。
• 优点： 结构简单、成本低、可从大气压启动。
• 缺点： 存在油蒸气污染，不适合超高真空和洁净工艺。

2.3.2 罗茨泵（Roots Pump）

类型： 无油机械泵，属于气体传输泵。
工作压强范围： 10² ~ 10^-1 Pa（需前级泵配合）。
典型应用： 中真空段主泵，用于提高抽速、缩短工艺时间。

• 工作原理： 两个“8”字形转子在泵腔内同步反向旋转，转子之间及转子与腔体之间保持微小间隙（无接触），通过容积变化输送气体。
• 关键参数： 最大允许压差、抽速、零流量压缩比。
• 优点： 抽速大、无油污染、适合频繁启停。
• 缺点： 不能单独从大气压启动，必须配置前级泵；高压差下易过热。

2.3.3 分子泵（Turbomolecular Pump, TMP）

类型： 动量传输泵，属于气体传输泵。
工作压强范围： 10^-1 ~ 10^-8 Pa（需前级泵维持出口压强）。
典型应用： 高真空/超高真空主泵，是磁控溅射、蒸发镀膜的标准配置。

• 工作原理： 高速旋转的涡轮叶片（通常 20,000 ~ 90,000 rpm）将气体分子从入口侧推向出口侧。气体分子与叶片碰撞获得定向动量，实现定向输运。
• 关键参数： 氮气抽速、压缩比（对轻气体如 H₂ 压缩比低）、极限真空、转速。
• 优点： 清洁无油、抽速范围宽、对重气体压缩比高。
• 缺点： 对轻气体（H₂、He）抽速有限；不能直接排大气；价格较高；振动敏感。

2.3.4 低温泵（Cryopump）

类型： 气体捕集泵（冷凝/吸附）。
工作压强范围： 10^-1 ~ 10^-9 Pa。
典型应用： 超高真空、高洁净度工艺（如光学镀膜、MBE）、对油污染极度敏感的场景。

• 工作原理： 利用低温冷面（通常 10 ~ 20 K）冷凝气体分子，或通过活性炭在低温下物理吸附气体。冷头由闭循环氦制冷机提供冷量。
• 关键参数： 抽速（对 H₂O 极高）、冷面温度、再生周期、气体容量。
• 优点： 极限真空高、无油、对所有气体都有抽速、振动小。
• 缺点： 需要定期再生（加热释放捕集的气体）；对惰性气体（Ar、He）容量有限；一次性投资高。

2.4 真空泵性能对比总结