什么是物理沉积的物理过程？PVD薄膜沉积指南

简而言之，物理沉积是一个利用机械或热能将材料从源转移到基板上，形成薄膜的过程。它在真空室中通过将固体源材料转化为蒸汽来实现，然后蒸汽传输并在较冷的表面上凝结。与化学沉积不同，该过程不涉及化学反应来形成最终薄膜。

物理沉积的核心原理是相变，而不是化学变化。该过程物理地从固体源中释放原子，通过真空传输它们，并将它们重新固化到目标表面上，从而逐原子构建薄膜。

基本原理：从源到基板

物理气相沉积 (PVD) 是一系列基于一个简单概念的过程：在不改变其化学性质的情况下，将物质从A点（源）移动到B点（基板）。

源材料与能量

该过程始于一种固体材料，称为“源”或“靶材”，它是您希望沉积为薄膜的物质。

然后向该源施加能量，以从其表面释放单个原子或分子。这种能量传递是该过程核心的“物理”机制。

真空的重要性

所有 PVD 过程都发生在真空室内。这种高真空环境至关重要，因为它排除了空气和其他气体颗粒，否则这些颗粒会与释放出的源原子碰撞并使其散射。

真空确保原子能够从源头直线传输到基板，这一概念通常被称为视线沉积。

在基板上的凝结

当汽化原子的流撞击到目标物体，即“基板”时，它会遇到一个温度低得多的表面。

这种温差导致原子迅速失去能量并凝结回固态，从而在基板表面逐渐形成一层均匀的薄膜。

物理沉积的关键类型

虽然原理相同，但施加能量到源材料的方法定义了特定类型的 PVD 过程。最常见的两种方法是热蒸发和溅射。

热蒸发

这是最古老、最简单的 PVD 技术之一。源材料在真空室中加热，直到温度足够高，使其蒸发，直接转化为蒸汽。

然后，这种蒸汽穿过腔室并凝结在基板上，就像蒸汽凝结在冷镜上一样。

溅射

溅射使用机电作用力而不是热量。在此过程中，固体靶材受到高能离子（通常来自惰性气体如氩气）的轰击，这些离子在等离子体中被加速。

这些高能离子就像原子级的喷砂机，物理地将原子从靶材材料上撞击下来。这些被“溅射”的原子被喷射到腔室中，随后沉积到基板上。

理解权衡：物理沉积与化学沉积

PVD最常见的替代方法是化学气相沉积 (CVD)。了解它们的区别是选择正确工具的关键。

核心区别：相变与化学反应

根本区别很简单。PVD物理地移动现有材料。基板上的薄膜在化学上与其源材料相同。

CVD化学地创建新材料。它将反应性前驱体气体引入腔室，这些气体在基板表面发生反应形成固体薄膜。所得薄膜是该化学反应的产物。

纯度和简单性

由于 PVD 是物理转移过程，它是沉积极度纯净的元素材料和简单合金的绝佳方法。无需处理复杂的化学前驱体或副产物。

覆盖率和保形性

PVD主要是一个视线过程。这使其非常适合涂覆平面，但可能难以均匀涂覆具有凹槽或沟槽的复杂三维形状。

相比之下，CVD气体可以流过物体并在所有暴露的表面上反应，通常在复杂几何形状上提供更好的保形覆盖。

为您的目标做出正确的选择

选择沉积方法需要将工艺能力与您的技术和经济目标相匹配。

• 如果您的主要重点是沉积纯元素材料或简单合金：由于其物理特性，PVD通常是最直接和有效的选择。
• 如果您的主要重点是制造复杂的化合物薄膜（如氮化硅）：CVD可能是必需的，因为它通过表面上的化学反应来构建材料。
• 如果您的主要重点是均匀涂覆复杂的 3D 物体：CVD提供保形覆盖的能力通常使其成为更优选的选项。
• 如果您的主要重点是简单的、具有成本效益的金属薄膜：热蒸发，一种 PVD 方法，是一种成熟且经济高效的技术。

最终，理解您需要物理移动材料还是化学创建材料是掌握沉积技术的关键。

摘要表：

方面	PVD（物理气相沉积）	CVD（化学气相沉积）
核心过程	通过相变进行物理转移	表面上的化学反应
材料纯度	纯元素/简单合金的优选	可制造复杂化合物
覆盖率	视线（适用于平面）	保形（适用于复杂 3D 形状）
关键技术	热蒸发、溅射	LPCVD、PECVD

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