原则上，几乎任何能够承受真空环境的固体材料都可以用作物理气相沉积（PVD）和溅射中的衬底。选择通常由涂层部件的最终应用决定，常见的例子包括用于电子产品的半导体晶圆、用于光学器件的玻璃和用于工具的金属。
选择衬底的关键因素不是其特定的材料类型，而是其在PVD工艺的真空和温度条件下保持稳定的能力。您的选择最终取决于最终产品的需求和沉积环境的物理限制。
合适衬底的决定性特性
材料作为衬底的适用性取决于几个核心物理和化学特性。忽略这些特性可能导致沉积失败、薄膜质量差和设备污染。
热稳定性
PVD工艺，特别是溅射，会产生大量热量。衬底必须能够承受这些温度而不会熔化、变形或破裂。
例如，对低熔点塑料进行高功率溅射将是灾难性的。这就是为什么工艺参数通常会根据对温度敏感的材料进行调整。
真空兼容性
PVD在高真空腔室中进行。衬底不能释放气体或蒸汽——这种现象称为放气——因为这会污染真空并干扰薄膜沉积。
木材、未密封的陶瓷或许多软塑料等多孔材料通常不适用，因为它们会滞留空气和水分，并在真空中释放出来。
表面质量
沉积的薄膜将复制其生长的表面。粗糙、肮脏或有缺陷的衬底表面几乎肯定会导致粗糙、附着力差和有缺陷的薄膜。
因此，衬底在放入沉积腔室之前必须经过仔细清洁，并通常抛光至非常光滑的表面。
常见衬底类别及其用途
虽然可能性很广，但大多数衬底都属于几个主要类别之一，每个类别都与特定的行业和应用相关联。
半导体
这些材料是整个微电子工业的基础。衬底不仅仅是载体，更是最终器件的活性部分。
- 示例：硅 (Si)、砷化镓 (GaAs)、碳化硅 (SiC)
- 应用：集成电路、CPU、存储芯片、LED。
玻璃和陶瓷
因其光学透明度、电绝缘性或极高的硬度和耐高温性而被选用。
- 示例：熔融石英、硼硅酸盐玻璃、蓝宝石、氧化铝 (Al₂O₃)
- 应用：光学透镜和滤光片、显示屏、电子电路板、高磨损部件。
金属和合金
当最终产品需要机械强度、耐用性或导电性时使用。所施加的涂层通常可增强耐磨性、减少摩擦或提供装饰性表面。
- 示例：不锈钢、钛、铝、铜
- 应用：切削工具、医疗植入物、汽车零件、装饰五金。
聚合物（塑料）
对塑料进行涂层是可能的，但需要特别小心。低熔点和易放气的特性意味着必须使用低温沉积工艺。
- 示例：聚碳酸酯 (PC)、Kapton、PEEK
- 应用：柔性电子产品、轻量化光学元件、金属化包装薄膜。
了解权衡和陷阱
选择衬底并非没有挑战。了解其局限性是成功涂层工艺的关键。
温度的挑战
如果您必须涂覆对温度敏感的材料，例如普通塑料，您将受到限制。您需要使用较低的沉积功率，这会减慢工艺速度，并且可能需要增加衬底冷却，这会使腔室设置复杂化。
附着力问题
薄膜的质量取决于其与衬底的结合力。有些材料组合的附着力天生较差。例如，在聚合物上沉积金属可能很困难，除非首先使用特殊的“粘附层”作为衬底和最终薄膜之间的粘合剂。
清洁的必要性
衬底表面上的任何污染物——例如油污、灰尘或氧化物——都将成为涂层失效的原因。衬底清洁是一个多步骤、关键的工艺，不容忽视。对于硅晶圆等材料，这种清洁是在洁净室环境中进行的。
为您的应用做出正确选择
您对衬底的选择完全取决于您的最终目标。衬底是您的薄膜性能赖以建立的基础。
- 如果您的主要重点是微电子：您的选择几乎总是半导体晶圆，通常是硅。
- 如果您的主要重点是光学或绝缘：您将使用高质量的玻璃、石英或蓝宝石等工程陶瓷。
- 如果您的主要重点是机械强度或工具：您的衬底将是硬金属或合金，例如钢或钛。
- 如果您的主要重点是轻量化或柔性部件：您可以使用聚合物，但必须仔细设计您的PVD工艺，以适应它们的温度和真空限制。
最终，正确的衬底是既能满足您的应用需求，又能与沉积过程的物理特性兼容的衬底。
总结表：
| 衬底类别 | 常见示例 | 主要应用 |
|---|---|---|
| 半导体 | 硅 (Si)、砷化镓 (GaAs) | 集成电路、LED、存储芯片 |
| 玻璃和陶瓷 | 熔融石英、蓝宝石、氧化铝 | 光学透镜、显示屏、电路板 |
| 金属和合金 | 不锈钢、钛、铝 | 切削工具、医疗植入物、汽车零件 |
| 聚合物（塑料） | 聚碳酸酯 (PC)、Kapton、PEEK | 柔性电子产品、轻量化光学元件 |
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