从核心来看，PVD和CVD是微机电系统（MEMS）制造中用于在衬底上沉积薄层材料的两种基本方法。物理气相沉积（PVD）是一种“视线”物理过程，类似于喷漆，其中材料被物理转移到晶圆上。相比之下，化学气相沉积（CVD）是一种化学过程，其中气体在晶圆表面发生反应以生长新的材料层，使其能够适应复杂的形状。
关键区别在于：PVD是一种物理的、视线过程，最适合在平面上沉积金属。CVD是一种化学过程，可以创建高度均匀的“共形”涂层，非常适合在复杂的三维形貌上沉积绝缘或结构层。
了解薄膜在MEMS中的作用
每个MEMS器件，从加速度计到微镜，都是由一系列精确图案化的薄膜构建而成的。这些薄膜是器件的功能性构建块。
沉积工艺是创建这些基本层的方法。PVD和CVD之间的选择直接影响材料特性、器件几何形状，并最终影响最终MEMS产品的性能和可靠性。
物理气相沉积（PVD）：“视线”方法
PVD包含一系列真空沉积技术，涉及将原子从源材料（“靶材”）物理移动到晶圆（“衬底”）上。
PVD的核心原理
将PVD想象成原子级别的精确控制喷漆过程。在高真空腔室中，原子从固体源中喷射出来，并沿直线传播，直到它们撞击到晶圆上，在那里凝结并形成薄膜。
MEMS中关键的PVD技术
两种最常见的PVD方法是溅射和蒸发。
溅射是PVD的主力。在此过程中，会产生惰性气体（如氩气）等离子体。来自该等离子体的高能离子轰击靶材，将原子撞击出来。这些被喷射出的原子随后沉积在晶圆上。
蒸发涉及在真空中加热源材料直至其蒸发。蒸发的原子随后移动到较冷的晶圆上并凝结，形成薄膜。这比溅射更简单，但对薄膜特性的控制较少。
PVD薄膜的特性
由于PVD是视线过程，它难以覆盖深沟槽或复杂结构的侧壁。这被称为较差的台阶覆盖率。然而，它非常适合沉积非常纯净的薄膜，特别是金属。
常见的PVD材料
PVD是沉积用于电极、反射镜和电互连的金属的首选方法。常见材料包括铝（Al）、钛（Ti）、金（Au）和铂（Pt）。
化学气相沉积（CVD）：共形涂层方法
CVD与PVD根本不同。它不物理转移材料；它通过化学反应在晶圆表面生成材料。
CVD的核心原理
在CVD过程中，前驱体气体被引入含有加热晶圆的反应腔室。气体在热表面发生反应，沉积固体薄膜并产生挥发性副产品，然后被泵出。这个过程不受视线限制，使其能够在任何几何形状上形成完全均匀的层。这种能力被称为共形性。
关键的CVD变体
“最佳”CVD工艺取决于所需的温度和薄膜质量。
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LPCVD（低压CVD）：这是高质量、高共形薄膜（如多晶硅（一种关键结构材料）和氮化硅（一种优良绝缘体））的黄金标准。它在高温（600°C以上）和低压下运行。
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PECVD（等离子体增强CVD）：此过程使用富含能量的等离子体，使化学反应在更低的温度下（通常低于400°C）发生。这对于在已经具有对温度敏感的结构或材料（如金属）的晶圆上沉积薄膜至关重要。
CVD薄膜的特性
CVD的决定性特征是其出色的共形性或台阶覆盖率。它可以在最复杂沟槽的顶部、底部和侧壁上形成厚度均匀的薄膜。薄膜的应力、密度等特性高度可调。
常见的CVD材料
CVD对于沉积介电材料（绝缘体）和半导体至关重要。常见材料包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）和多晶硅。
了解权衡：PVD与CVD
在PVD和CVD之间进行选择需要根据特定应用权衡它们的独特优缺点。
共形性和台阶覆盖率
- CVD更优。其化学性质确保在任何表面形貌上形成均匀涂层。这对于复杂MEMS中的绝缘层或结构薄膜是不可或缺的。
- PVD较差。作为视线过程，它在侧壁和深沟槽中形成薄膜或不形成薄膜。
操作温度
- 高质量LPCVD是高温工艺。这可能会损坏或重熔晶圆上已有的铝等材料。
- PECVD提供低温CVD选项，但通常以牺牲薄膜质量为代价，与LPCVD相比。
- PVD通常是低温工艺，使其能够安全地处理已经经过多个制造步骤的晶圆。
材料选择
- PVD擅长沉积纯金属和一些金属化合物。它难以或不可能用于氮化硅或多晶硅等材料。
- CVD是沉积通过化学反应形成的介电材料、半导体和陶瓷的主要方法。
薄膜质量和纯度
- PVD薄膜通常非常纯净，因为源材料被物理转移到衬底上，污染最小。
- CVD薄膜可能含有杂质，例如PECVD薄膜中的氢，这可能会影响材料特性。然而，CVD对薄膜应力具有出色的控制，这对于MEMS结构至关重要。
为您的MEMS器件做出正确选择
您的选择完全取决于您创建的层的功能以及制造过程的限制。
- 如果您的主要重点是创建导电电极或互连：PVD（溅射）是沉积高纯度金属的标准、最有效选择。
- 如果您的主要重点是在复杂形貌上构建均匀的绝缘层：CVD是唯一可行的选择，因为它具有卓越的共形性。
- 如果您的主要重点是在工艺后期在对温度敏感的器件上沉积薄膜：您的选择介于PVD或低温PECVD工艺之间。
- 如果您的主要重点是创建器件的核心机械或结构元件：LPCVD通常用于沉积高质量、低应力的多晶硅或氮化硅。
选择正确的沉积方法是一个基础性决策，直接决定了您的MEMS器件的几何形状、性能和可制造性。
总结表：
| 特点 | PVD（物理气相沉积） | CVD（化学气相沉积） |
|---|---|---|
| 工艺类型 | 物理（视线） | 化学（表面反应） |
| 最适合 | 金属（Al, Ti, Au），平面 | 绝缘体（SiO2, Si3N4），复杂3D结构 |
| 台阶覆盖率 | 差（视线限制） | 优异（高度共形） |
| 常用技术 | 溅射，蒸发 | LPCVD，PECVD |
| 典型温度 | 低温 | LPCVD：高温（600°C+），PECVD：低温（<400°C） |
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