气相沉积技术有哪些？Pvd、Cvd和薄膜沉积方法的指南

从根本上讲，气相沉积是一系列用于将极薄的材料薄膜逐原子地应用到表面的工艺。最常见的类别是物理气相沉积（PVD），它将材料从源头物理地转移到基底上。主要的PVD技术包括溅射沉积、热蒸发和阴极电弧沉积，每种技术都适用于不同的材料和应用。

气相技术之间的本质区别不在于最终结果——薄膜——而在于它们如何激发和传输材料到基底上。这个选择决定了薄膜的最终性能，从硬度和纯度到附着力和密度。

两大支柱：PVD 与 CVD

所有气相技术都属于两大主要家族之一，其区别在于工艺的性质。理解这种区别是驾驭您选择的第一步。

在PVD中，涂层材料最初是固态的。然后，它通过纯粹的物理过程（如加热或离子轰击）转化为蒸汽，并通过真空传输到基底上凝结。

在此传输过程中，材料本身没有发生根本性的化学变化。

相比之下，CVD将一种或多种挥发性前驱体气体引入反应室。这些气体在基底表面分解并发生化学反应，形成所需的薄膜。

该过程直接在表面上形成新材料，而不是简单地沉积已存在的材料。

由于PVD是最常被引用的方法，我们将重点介绍其主要技术。每种方法都使用不同的机制来产生蒸汽。

溅射涉及在真空中用高能离子轰击称为“靶材”的固体源材料。

这种轰击就像一场微观的台球比赛，将原子从靶材上撞击下来。这些被喷射出的原子然后传输并沉积到基底上，形成一层薄而致密、均匀的薄膜。溅射技术在沉积合金、化合物和绝缘体方面具有很高的通用性。

这是最简单的PVD方法之一。源材料在高真空下加热，直到它蒸发或升华，变成蒸汽。

可以将其想象成在水壶中烧水。产生的蒸汽上升，直线传输，并在较冷的基底上凝结，形成薄膜。该技术非常适合沉积低熔点金属（如铝或金）的高纯度薄膜。

在阴极电弧沉积（或电弧PVD）中，在靶材表面产生高电流、低电压的电弧。电弧的巨大能量使材料汽化并产生高度电离的等离子体。

然后，这些高能离子被加速到基底上，形成异常致密和坚硬的涂层。该方法是为切削工具和机械零件沉积氮化钛（TiN）等耐磨薄膜的首选。

这些是更专业的技术。电子束（E-Beam）PVD使用聚焦的电子束来加热和汽化材料，使其非常适合那些具有极高熔点的材料。

脉冲激光沉积（PLD）使用高功率激光从靶材上烧蚀材料，这对于沉积复杂的多元素材料（如高温超导体）特别有用。

选择技术需要平衡相互竞争的因素。专家的决定基于对这些权衡的理解。

高能工艺，如溅射和阴极电弧，产生的薄膜具有优异的附着力和密度。然而，这种能量也可能在薄膜中引入应力或将来自工艺气体的离子植入。

热蒸发等低能工艺会产生非常纯净的薄膜，但与溅射薄膜相比，其附着力可能较弱，密度也较低。

热蒸发在机械上简单且具有成本效益，但它仅限于易于蒸发的材料，并且难以沉积具有一致化学计量的复杂合金。

溅射更复杂且成本更高，但提供了惊人的通用性。它可以沉积几乎任何材料，包括合金、化合物和绝缘体，并能对成分进行出色的控制。

有些方法，如阴极电弧，提供非常高的沉积速率，这非常适合工业规模的零件涂层。然而，这种速度有时会以牺牲表面平滑度为代价，因为材料的微小液滴可能会与蒸汽一起被喷射出来。

较慢的方法通常能提供对薄膜结构和均匀性的更精确控制。

您的最终选择完全取决于您项目的目标。

理解这些核心原则，使您能够为特定的工程挑战选择精确的沉积工具。