从根本上讲，物理气相沉积（PVD）中的蒸发过程是一个简单的相变。 将源材料在高真空室中加热，直到其原子转变为蒸汽。然后，这些汽化的原子穿过真空并冷凝到称为基板的较冷物体上，形成固态薄膜。
蒸发从根本上是一个由热力学驱动的两步过程：加热材料以产生蒸汽，然后这种蒸汽会自然地冷凝回任何遇到的较冷表面上形成固体。高真空环境是关键的促成因素，它确保蒸汽能够无阻碍地从源头传输到基板。
PVD蒸发的基本步骤
整个过程虽然技术复杂，但可以分解为三个不同的物理阶段。理解每个阶段是理解该方法的性能和局限性的关键。
步骤 1：材料蒸发
该过程始于将源材料（通常称为“靶材”）加热到极高的温度。
根据材料和压力，它将熔化然后沸腾成气态，或者升华——直接从固态转变为蒸汽。
目标是产生高蒸汽压，形成密集的原子云，为传输做准备。
步骤 2：蒸汽传输
在这个阶段，真空变得至关重要。将腔室抽到非常高的真空度，以去除几乎所有的空气和其他气体分子。
这实现了两件事：防止汽化原子与其他粒子碰撞，并消除与氧气等大气气体的不需要的化学反应。
在没有障碍物的情况下，汽化的原子以直线路径远离源头传播，这被称为“视线”传输特性。
步骤 3：薄膜冷凝
汽化的原子最终到达基板，基板的温度明显低于源头的温度。
接触到这个较冷的表面后，原子迅速失去热能并冷凝回固态。
这种冷凝逐原子积累，在基板表面形成高度均匀的薄膜。适当的基板加热可用于改善薄膜的附着力和结构。
加热源材料的关键方法
不同蒸发技术的主要区别在于如何向源材料提供初始能量以引发蒸发。
电阻加热（热蒸发）
这是最常见的方法之一。源材料放置在一个容器中，通常称为“坩埚”或灯丝，由耐火金属制成。
高电流通过这个坩埚，使其因电阻而发热。然后热量传递给源材料，使其蒸发。
电子束（E-beam）蒸发
对于熔点非常高的材料，需要更强的能量源。
在电子束蒸发中，会产生一束高能电子束，并通过磁场引导撞击源材料。这种直接的电子轰击会立即将局部区域加热到足以蒸发的温度。
其他方法
虽然不太常见，但可以使用其他能源。激光可以提供聚焦的能量来加热源材料，而电弧可以产生高温等离子体来汽化靶材。
理解权衡
蒸发是一种强大的技术，但其特性带来了特定的优点和缺点，决定了它是否适用于给定的应用。
“视线”限制
由于蒸汽是直线传播的，基板上任何不在源头视线范围内的部分都不会被涂覆。
这使得蒸发在涂覆具有凹槽或隐藏表面的复杂三维形状时具有挑战性。
高沉积速率
蒸发的一个显著优点是其速度。与溅射等其他PVD技术相比，蒸发可以更快地沉积薄膜。
这使其成为需要高吞吐量和快速生产周期的应用的绝佳选择。
薄膜纯度
高真空环境对于制造极其纯净的薄膜至关重要。通过去除残留气体，该过程最大限度地减少了涂层材料与污染物反应或捕获气泡的风险，这可能会损害薄膜的完整性。
为您的目标做出正确的选择
选择正确的PVD方法完全取决于材料、被涂覆部件的几何形状以及期望的结果。
- 如果您的主要关注点是速度和高吞吐量： 与溅射相比，蒸发通常是首选方法，因为它具有更快的沉积速率。
- 如果您正在涂覆简单、平面或轻微弯曲的表面： 蒸发的“视线”特性非常适合这些几何形状，并确保出色的均匀性。
- 如果您的主要关注点是制造高纯度的金属薄膜： 高真空下的蒸发非常擅长生产铝、金和银等材料的清洁、无污染涂层。
最终，PVD蒸发是一种直接有效的方法，可以将固体材料转化为高性能的薄膜涂层。
摘要表：
| 阶段 | 关键操作 | 目的 |
|---|---|---|
| 1. 蒸发 | 将源材料加热到高温 | 产生原子/分子的蒸汽云 |
| 2. 传输 | 原子在真空中沿直线传播 | 防止碰撞和污染 |
| 3. 冷凝 | 蒸汽在较冷的基板上冷凝 | 构建均匀的固体薄膜 |
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