从本质上讲，真空蒸镀不是单一的过程，而是一系列复杂的技术，用于在真空室内将一层高性能薄膜应用到表面上。这些过程的工作原理是将涂层材料转化为蒸汽，然后蒸汽穿过真空并凝结到目标物体或基板上，形成所需的涂层。
各种真空沉积方法之间的根本区别在于材料如何转化为蒸汽。主要的两种途径是化学气相沉积（CVD），它使用化学反应；以及物理气相沉积（PVD），它使用物理机制，如蒸发或溅射。
真空的作用
在深入研究具体方法之前，了解为什么真空是不可或缺的至关重要。创造真空——一个低压环境——起着两个至关重要的作用。
消除污染
首先，它排除了空气和其他大气气体。这些不需要的粒子否则会与气化后的涂层材料发生反应，或嵌入薄膜中，从而产生杂质并降低涂层的性能。
确保清晰的路径
其次，真空为气化后的材料从其源头传输到基板提供了清晰、无障碍的路径。如果没有真空，蒸汽原子会与空气分子碰撞，导致它们散射，从而无法形成均匀、致密的涂层。
两大主要途径：CVD 与 PVD
“真空蒸镀”一词广泛涵盖了在真空中进行的任何沉积过程。最重要的区别在于蒸汽是如何产生的。
化学气相沉积（CVD）：从气体构建
在CVD中，涂层不是直接转移的，而是通过化学反应在基板上构建的。
含有最终薄膜元素的挥发性前驱体气体被引入真空室。基板被加热，提供在其表面触发化学反应所需的能量。
这种反应会分解前驱体气体，所需的固体材料会逐个原子地沉积在基板上，形成致密、均匀的薄膜。反应产生的气态副产物随后被泵出室外。
物理气相沉积（PVD）：转移固体
在PVD中，涂层材料始于固体源，称为“靶材”。这种固体材料在没有化学反应的情况下被物理地转化为蒸汽。
一种常见的PVD方法是溅射。在这种方法中，腔室中充满了惰性气体（如氩气），强大的电场使其带电，从而产生等离子体。等离子体中的离子被加速撞击固体靶材，以足够的力将其撞击或“溅射”出单个原子。
这些被溅射出的原子穿过真空并物理地凝结在基板上，就像蒸汽凝结在冷表面上一样。另一种PVD方法——热蒸发——则使用热量简单地将材料加热至沸腾，直到其蒸发。
通用的分步过程
尽管具体细节各不相同，但大多数工业真空沉积过程遵循相似的顺序。
1. 准备和装载
基板经过仔细清洁，以去除任何表面污染物，否则会阻止薄膜正确附着。然后将其装载到真空室中。
2. 抽真空和预处理
密封装腔室，并使用强大的泵排出空气，以创建所需低压真空环境。基板可能会被加热或进行过程中的清洁步骤，例如离子刻蚀，以确保沉积表面洁净无暇。
3. 沉积
这是薄膜生长的核心步骤。要么引入前驱体气体进行化学反应（CVD），要么通过溅射或蒸发等物理手段使固体靶材气化（PVD）。
4. 冷却和排气
达到所需的薄膜厚度后，停止沉积过程。系统冷却下来，腔室小心地排气，使其恢复到正常大气压力。然后取出新涂覆的部件。
理解权衡
CVD或PVD都不是绝对优越的；选择完全取决于材料、基板和所需的结果。
CVD的优势
CVD擅长制造高度保形涂层，这意味着它可以均匀地涂覆复杂的三维形状。由于前驱体是气体，它可以到达部件的每一个角落。它常用于半导体行业中的超纯薄膜。其主要限制是它通常需要非常高的温度，这可能会损坏塑料等敏感基板。
PVD的优势
PVD工艺可以沉积大量的材料，包括那些难以或不可能作为CVD稳定前驱体气体制造的金属、合金和陶瓷。PVD通常是一种低温过程，非常适合涂覆塑料和其他对热敏感的材料。然而，它是一个视线过程，使得均匀涂覆复杂几何形状具有挑战性。
为您的应用做出正确的选择
选择正确的工艺需要将其能力与您的主要目标相匹配。
- 如果您的主要重点是均匀涂覆复杂的三维部件： 由于其非视线、基于气体的沉积，CVD通常是更优的选择。
- 如果您的主要重点是在塑料部件上应用坚硬、耐磨的金属涂层： PVD是标准选择，因为其较低的工艺温度不会损坏基板。
- 如果您的主要重点是为电子设备生长高纯度、晶体薄膜： 特殊的CVD工艺通常是首选方法，因为它具有精确性和控制性。
归根结底，掌握真空沉积技术始于理解产生蒸汽的方法——化学还是物理——是决定其优势和应用的决定性因素。
摘要表：
| 工艺步骤 | 关键操作 | 目的 |
|---|---|---|
| 1. 准备和装载 | 清洁基板；装载到腔室中 | 确保附着力；为涂层做准备 |
| 2. 抽真空和预处理 | 制造真空；加热/清洁基板 | 去除污染物；激活表面 |
| 3. 沉积 | 气化材料（CVD/PVD）；在基板上凝结 | 生长均匀、高性能的薄膜 |
| 4. 冷却和排气 | 冷却系统；恢复到大气压力 | 安全地取出已完成涂层的部件 |
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