从本质上讲，物理气相沉积 (PVD) 不是单一技术，而是一系列工艺的总称。 尽管存在许多具体的变体，但它们通常被归类为四大主要类别：蒸发、溅射、电弧气相沉积和离子镀。其中最主要和应用最广泛的是蒸发和溅射。
理解物理气相沉积的关键在于关注用于实现相同目的的基本物理机制，而不是关注特定数量的类型：即将固体材料转化为蒸汽，通过真空传输，并将其冷凝到基板上形成薄膜。
PVD 概览：高层次视图
在深入研究 PVD 的类型之前，区分它与其对应物化学气相沉积 (CVD) 至关重要。
PVD 与 CVD：快速区分
物理气相沉积 (PVD) 使用纯粹的物理方法——例如加热或轰击——将固体源材料转化为蒸汽。在形成薄膜的过程中不涉及化学反应。
相比之下，化学气相沉积 (CVD) 将前驱体气体引入腔室。这些气体在基板表面发生反应或分解，形成所需的薄膜。这是一个化学过程。
核心 PVD 工艺
每一类 PVD 都代表了一种不同的蒸发源材料的策略。
基于蒸发的沉积
这是概念上最简单的 PVD 方法。该过程涉及在真空室中加热源材料，直到其原子蒸发，穿过真空，并冷凝到较冷的基板上。
热蒸发
这是最基本的形式，通过向容纳源材料的电阻元件（如钨舟）通入高电流来加热源材料。
电子束 (E-Beam) 蒸发
不使用简单的加热器，而是将高能电子束聚焦到源材料上。这使得蒸发具有非常高熔点的材料成为可能，并提供了对过程的更大控制。
脉冲激光沉积 (PLD)
在这种先进技术中，高功率激光瞄准源材料（“靶材”）。激光的强烈能量瞬间汽化表面，产生一个材料羽流沉积在基板上。
溅射沉积（Sputtering）
溅射不使用热量来汽化材料。相反，它的工作原理类似于原子尺度的喷砂。
溅射机制
由所需涂层材料制成的靶材受到高能离子（通常来自氩气等惰性气体）的轰击。这种轰击会物理地将靶材表面的原子撞击下来，然后这些原子传输并沉积到基板上。
关键特性
溅射以产生具有优异附着力和密度的薄膜而闻名。它还允许以高精度沉积复杂的合金和化合物。
其他主要的 PVD 方法
电弧气相沉积
该方法使用高电流、低电压的电弧来汽化源材料。电弧的强烈能量会产生高度电离的蒸汽，从而形成极硬和致密的涂层。它是保护切削工具的常见选择。
离子镀
离子镀是一种结合了标准沉积的混合工艺。它将蒸发或溅射与基板同时受到高能离子轰击结合起来。这种轰击极大地提高了薄膜的附着力和密度。
理解权衡
选择 PVD 工艺需要在速度、成本和最终薄膜所需的性能之间取得平衡。最常见的选择是在蒸发和溅射之间。
蒸发：速度与简单性
蒸发的主要优点是其高沉积速率。它可以相对快速地生产厚膜，并且通常涉及更简单、成本更低的设备。
然而，它对薄膜结构的控制较少，并且在沉积复杂合金时可能会遇到困难，因为具有不同沸点的材料会以不同的速率蒸发。
溅射：精度与附着力
溅射的主要优势在于其卓越的过程控制和薄膜质量。它能产生具有优异附着力的致密、均匀的薄膜，非常适合需要高性能和高可靠性的应用，例如半导体领域。
权衡是与蒸发相比沉积速率较慢，并且设备通常更复杂、成本更高。
如何选择正确的 PVD 工艺
您的应用目标是选择 PVD 方法中最重要的单一因素。
- 如果您的主要重点是用于工具的坚硬、耐磨涂层： 电弧气相沉积或溅射是行业标准，因为它们能够制造致密、耐用的薄膜。
- 如果您的主要重点是高纯度光学或电子薄膜： 优选电子束蒸发和溅射，因为它们在材料特性方面具有精度和控制力。
- 如果您的主要重点是涂覆对温度敏感的基板： 溅射通常是更好的选择，因为它对基板施加的直接热量比热蒸发少。
- 如果您的主要重点是快速、经济高效地沉积简单的金属： 基本的热蒸发在设备复杂度最低的情况下提供了最快的速度。
最终，了解基本机制——蒸汽是如何产生的——是为您的特定工程挑战选择正确的 PVD 工艺的关键。
摘要表：
| PVD 工艺 | 关键机制 | 常见应用 |
|---|---|---|
| 蒸发 | 加热源材料使其汽化 | 光学、简单金属涂层 |
| 溅射 | 用离子轰击靶材以喷射原子 | 半导体、高精度电子产品 |
| 电弧气相沉积 | 使用电弧汽化材料 | 坚硬、耐磨的工具涂层 |
| 离子镀 | 将沉积与离子轰击相结合 | 需要优异附着力的致密涂层 |
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