物理气相沉积（PVD）是一系列基于真空的镀膜技术，用于在基底上沉积薄而高性能的薄膜。这些工艺都通过纯物理方式将固体源材料转化为蒸汽，通过真空或低压环境传输，并使其凝结到目标物体上。PVD最基本的两大类是溅射（利用高能离子轰击）和热蒸发（利用热量）。
所有PVD技术的决定性原理是它们依赖物理机制——如高能粒子碰撞或强热——从源材料中产生蒸汽。与其他方法不同，在基底上形成最终薄膜时，不涉及基本的化学反应。
PVD的两大支柱：溅射和蒸发
PVD的核心是将固体材料转化为蒸汽的两种不同方法。理解这种区别是理解整个领域的关键。
溅射：台球碰撞
溅射涉及用高能离子（通常来自氩等惰性气体）轰击固体源材料，即靶材。
这种高能碰撞就像主球撞击一堆台球一样。它会物理性地将原子或分子从靶材表面撞击出来。
这些“溅射”出来的原子随后穿过真空室并沉积到基底上，形成一层薄而通常非常致密的薄膜。
热蒸发：受控沸腾
热蒸发是一种更直观的工艺，它利用高温在真空室内蒸发源材料。
这个过程类似于水沸腾成蒸汽并在冷的镜子上凝结。蒸发的材料沿直线传播，直到撞击到较冷的基底，在那里凝结回固体薄膜。
有几种方法可以产生这种热量：
- 电阻加热：电流通过容纳源材料的耐热舟或灯丝。
- 电子束蒸发：聚焦的高能电子束以高精度加热和蒸发源材料。
- 感应加热：射频（RF）功率产生涡流，加热盛有源材料的坩埚。
其他关键PVD技术
除了两大主要系列之外，还开发了几种专门的PVD方法以适应特定应用。
阴极电弧沉积（Arc-PVD）
该技术在靶材表面使用高电流、低电压的电弧。
电弧产生一个小的、极热的点，使材料汽化，产生高度电离的蒸汽，从而形成极其坚硬和致密的涂层。
脉冲激光沉积（PLD）
在PLD中，高功率脉冲激光聚焦在真空室内的靶材上。
每个激光脉冲都会烧蚀或蒸发少量材料，形成等离子体羽流，并沉积到基底上。
理解权衡
没有一种PVD技术是普遍优越的；最佳选择完全取决于薄膜所需的预期结果。
溅射的精度
溅射技术，特别是离子束溅射，对薄膜性能提供卓越的控制。
由于该过程由动能而非热量驱动，因此非常适合沉积复杂的合金或具有不同熔点的材料。结果通常是极其光滑、致密且均匀的薄膜。
蒸发的速度和简单性
热蒸发通常更简单，并且可以实现比溅射更高的沉积速率。
然而，它可能更难以精确控制薄膜的结构，并且不太适合在高温下可能分解的材料或制造复杂的合金薄膜。
PVD与CVD的区别
区分PVD与其对应技术化学气相沉积（CVD）至关重要。
PVD是一个物理过程。沉积在基底上的材料与离开源靶材的材料相同；它只是将其物理状态从固体变为蒸汽再变回固体。
CVD是一个化学过程。它将前体气体引入腔室，这些气体随后在基底的热表面上反应，形成全新的固体材料，留下挥发性副产品。
选择正确的PVD方法
您选择的技术应由最终薄膜所需的特定性能驱动。
- 如果您的主要关注点是最大程度的控制、密度和均匀性：溅射，特别是离子束溅射，通常是制造高质量光学或电子薄膜的优越选择。
- 如果您的主要关注点是简单金属涂层的高沉积速率：热蒸发或电子束蒸发提供了一种高效且通常更具成本效益的解决方案。
- 如果您的主要关注点是制造极其坚硬、耐磨的涂层：阴极电弧沉积是用于工具和工业部件的领先技术。
了解这些基本机制使您能够为您的特定材料和应用需求选择精确的工具。
总结表：
| 技术 | 主要机制 | 关键特性 | 常见应用 |
|---|---|---|---|
| 溅射 | 高能离子轰击 | 卓越的控制，致密/均匀薄膜，适用于合金 | 光学涂层，电子产品，耐磨层 |
| 热蒸发 | 高温汽化 | 高沉积速率，工艺更简单，直线传输 | 简单金属涂层，OLED，研究 |
| 阴极电弧沉积 | 高电流电弧 | 极其坚硬/致密涂层，高度电离蒸汽 | 工具涂层，工业部件 |
| 脉冲激光沉积 | 高功率激光烧蚀 | 复杂材料的化学计量转移 | 高温超导体，复杂氧化物 |
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