气相沉积是一系列先进的制造工艺，用于在表面（称为基底）上涂覆非常薄的材料膜。其核心过程包括将涂层材料转化为气态，将其输送到基底，然后使其冷凝或反应形成固体层。该过程主要分为两大类：化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
气相沉积工艺的根本区别在于涂层材料的到达方式。化学气相沉积（CVD）利用基底表面的化学反应来形成薄膜，而物理气相沉积（PVD）则物理性地将源材料转移到基底上，不发生化学变化。
化学气相沉积（CVD）：通过反应形成薄膜
CVD类似于烹饪。您将特定的气态成分（前驱体）引入加热的腔室中，它们在基底表面发生反应，从而在基底上“烘烤”出一种新的固体材料。
核心原理：化学反应
在CVD中，沉积的材料与引入腔室的材料不同。相反，使用一种或多种挥发性前驱体气体。
化学反应（通常由高温激活）直接在基底表面发生。该反应形成所需的固体薄膜和气态副产物，然后将其去除。
CVD详细工艺步骤
CVD工艺是一个高度受控的事件序列，确保薄膜均匀且高质量。
- 反应物输送：前驱体气体被输送到反应腔室中。
- 吸附：气体分子附着在基底表面。
- 表面反应：吸附的分子在加热的表面催化下发生化学反应，形成固体薄膜材料。
- 成核与生长：新形成的固体材料形成初始位点（成核），然后逐层堆积形成薄膜。
- 副产物脱附：反应中不需要的气态副产物从表面脱离。
- 副产物输送：排气系统将这些气态副产物从腔室中排出。
物理气相沉积（PVD）：通过物理方式转移薄膜
PVD更像是原子层面的喷漆。您将固体源材料转化为蒸汽，然后它沿直线传播，涂覆其路径上的任何物体。所有这些都发生在高真空环境中。
核心原理：物理转移
在PVD中，源材料与最终涂层材料相同。该过程物理性地将原子或分子从固体源中释放出来，并通过真空将其输送到基底。
没有化学反应来形成薄膜。汽化的材料只是在较冷的基底上冷凝，形成固体涂层。
示例工艺：溅射沉积
溅射是一种常见的PVD技术，它清晰地展示了物理转移过程。
- 升温：腔室密封并抽真空以去除污染物。环境准备就绪，通常通过加热。
- 蚀刻：基底通常通过离子轰击过程（阴极清洗）进行清洁，以确保表面纯净且薄膜能够良好附着。
- 涂层：使用高压产生等离子体。来自等离子体的离子被加速并与源材料（“靶材”）碰撞，撞击出原子。这些被喷射出的原子通过真空并沉积到基底上。
- 降温：一旦达到所需厚度，系统安全地恢复到环境温度和压力。
了解权衡：CVD与PVD
选择这些方法中的哪一种完全取决于材料、基底以及最终薄膜所需的特性。
薄膜共形性和覆盖范围
CVD擅长制造共形涂层，这意味着即使在复杂的三维形状上，薄膜也具有均匀的厚度。前驱体气体可以在反应前渗透到沟槽和锐角周围。
PVD是一个视线过程。汽化的原子沿直线传播，这使得在没有复杂基底旋转的情况下难以均匀涂覆复杂几何形状。
操作温度
CVD工艺通常需要非常高的温度来驱动必要的化学反应。这可能会限制可以在不损坏的情况下进行涂覆的基底类型。
PVD通常可以在低得多的温度下进行，使其适用于热敏材料，如塑料或某些合金。
材料纯度和复杂性
CVD通过精确管理前驱体气体的流量，可以对薄膜的化学成分（化学计量）进行精细控制。这对于制造半导体行业中使用的超纯、复杂化合物薄膜至关重要。
PVD非常适合沉积纯金属、合金和某些简单化合物。制造复杂的化合物薄膜可能比CVD更具挑战性。
为您的目标做出正确选择
要选择合适的工艺，您必须首先确定您最重要的结果。
- 如果您的主要重点是均匀涂覆复杂的非平面表面：由于气相反应的性质，CVD通常是更好的选择。
- 如果您的主要重点是将纯金属或简单合金沉积到热敏基底上：溅射等PVD方法通常更适合，并且在较低温度下运行。
- 如果您的主要重点是为电子产品制造高纯度、结晶化合物薄膜：CVD提供了先进半导体应用所需的精确化学控制。
理解薄膜是化学“生成”还是物理“转移”之间的核心区别，是为您的项目选择正确沉积技术的关键。
总结表：
| 特点 | 化学气相沉积（CVD） | 物理气相沉积（PVD） |
|---|---|---|
| 核心原理 | 基底表面的化学反应 | 源材料的物理转移 |
| 薄膜共形性 | 共形（在复杂形状上均匀） | 视线（需要旋转以获得均匀性） |
| 操作温度 | 高（通常 > 500°C） | 低（适用于热敏基底） |
| 材料复杂性 | 非常适合复杂化合物 | 最适合纯金属、合金和简单化合物 |
| 主要应用 | 半导体、复杂3D零件 | 光学、耐磨涂层、热敏材料 |
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