从最高层面来看，薄膜沉积技术分为两大类：物理气相沉积 (PVD) 和 化学气相沉积 (CVD)。PVD 涉及在真空中物理蒸发固体源材料并使其凝结到衬底上，而 CVD 则利用前体气体的化学反应在衬底表面直接生长新的材料层。
核心区别在于材料如何传输和到达。PVD 是一种物理传输过程，就像用原子进行喷漆一样。CVD 是一种化学创造过程，通过反应气体在目标表面逐个原子地构建薄膜。
沉积的通用步骤
在研究具体方法之前，了解大多数沉积技术遵循的基本顺序会很有帮助。这为比较不同方法提供了一个框架。
从源到表面
几乎每种技术都涉及三个阶段：
- 生成：源材料被转化为可传输的物质——通过蒸发（PVD）或使用挥发性前体气体（CVD）。
- 传输：这些物质从源头传输到衬底，通常通过真空或受控气体环境。
- 沉积：这些物质附着在衬底上，形成薄膜并开始生长过程。
物理气相沉积 (PVD)：一种“自上而下”的方法
PVD 包含一系列将材料从源（靶材）物理移动到衬底的方法。这些过程在高真空或超高真空条件下进行，不涉及化学反应来形成薄膜。
蒸发原理
蒸发是最直观的 PVD 方法。固体源材料在真空中被加热，直到其原子或分子蒸发，沿直线传播，并在较冷的衬底上凝结成固体薄膜。
有几种方法可以加热源材料：
- 热蒸发：使用简单的电阻热源（如热灯丝）蒸发材料。
- 电子束蒸发：聚焦的高能电子束精确加热源材料，可沉积熔点非常高的材料。
- 感应加热：射频 (RF) 功率用于在坩埚中感应涡流，进而加热其中的源材料。
溅射原理
溅射是一种能量更高的 PVD 过程。它不是通过蒸发材料，而是利用等离子体用高能离子轰击源靶材。
这种轰击就像亚原子喷砂机，将原子从靶材上撞击出来。这些被喷射出的原子随后传输并沉积到衬底上，形成致密且附着力强的薄膜。
化学气相沉积 (CVD)：一种“自下而上”的方法
CVD 与 PVD 根本不同。它是一种化学过程，衬底暴露于一种或多种挥发性前体气体，这些气体在衬底表面发生反应或分解以产生所需的薄膜。
核心化学反应
在 CVD 过程中，反应气体被引入到包含加热衬底的腔室中。来自衬底的热能提供了化学反应仅在其表面发生所需的活化能。
这个过程直接在晶圆或组件上“生长”出高纯度、高性能的薄膜。由于它依赖于气体流动和表面反应而不是直接视线，CVD 在创建均匀涂层方面表现出色。
为什么 CVD 在半导体领域占据主导地位
CVD 是半导体工业中最常用的沉积方法。它能够生产极其精确和共形的薄膜——这意味着它们可以均匀地涂覆复杂的、三维的表面形貌——这对于制造现代微电子器件至关重要。
了解权衡
PVD 和 CVD 之间的选择取决于所需的薄膜特性、沉积的材料以及衬底的几何形状。
PVD：多功能性和直接性
PVD 通常更简单，可用于沉积各种材料，包括金属和陶瓷。然而，由于它是一种“视线”过程，因此难以均匀涂覆复杂形状和凹陷特征。
CVD：精度和共形性
CVD 擅长生产高度纯净和均匀的薄膜，这些薄膜能完美地贴合底层表面。这种精度是以更高的复杂性为代价的，通常需要更高的工艺温度以及处理挥发性且有时有害的前体化学品。
除了两大类之外：其他方法
虽然 PVD 和 CVD 是主要的汽相技术，但还存在其他化学方法，通常涉及液体。这些包括电镀（电镀和化学镀）、溶胶-凝胶、化学浴沉积和喷雾热解。选择这些技术是为了在汽相方法不切实际或不必要的情况下进行特定应用。
为您的目标做出正确选择
选择正确的技术需要清楚地了解您的应用的主要驱动因素。
- 如果您的主要关注点是在复杂表面（如半导体中）上获得高纯度、均匀的涂层：CVD 是更好的选择，因为它具有出色的共形性和原子级精度。
- 如果您的主要关注点是将各种金属或简单化合物沉积到相对平坦的表面上：溅射或蒸发等 PVD 技术提供了一种多功能、直接且通常更快的解决方案。
- 如果您的主要关注点是低成本、大面积涂层或需要基于液体的工艺：探索电镀或喷雾热解等替代化学方法，它们的工作原理完全不同。
最终，理解物理传输 (PVD) 和化学创造 (CVD) 之间的根本区别是选择最佳沉积技术的关键。
总结表：
| 技术 | 核心原理 | 主要特点 | 常见应用 |
|---|---|---|---|
| PVD（物理气相沉积） | 通过蒸发/溅射进行材料的物理传输 | 视线过程、真空环境、适用于金属/陶瓷 | 平面、装饰涂层、简单几何形状 |
| CVD（化学气相沉积） | 前体气体在衬底表面发生化学反应 | 出色的共形性、高纯度、均匀涂层 | 半导体、复杂 3D 结构、微电子 |
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