什么是薄膜气相沉积？精密表面工程指南

本质上，薄膜气相沉积是一系列制造技术，用于在称为基板的表面上应用一层极薄的材料——通常厚度不到一微米。该过程涉及在真空中将源材料转化为蒸汽，然后蒸汽传输并沉积到基板上，形成一层坚固、高性能的薄膜。这种方法是创造驱动现代技术的专业表面的基础。

薄膜气相沉积不仅仅是一个涂层过程；它是现代工程的一个基本原理。它使我们能够从根本上改变材料表面的性能，从而能够创造出从更快的微芯片到更耐用的机械部件等各种产品。

其核心在于，气相沉积是关于改变物体表面行为的方式。目标是增加原始材料所缺乏的新属性。

“薄膜”是指厚度从几分之一纳米到几微米不等的材料层。作为参考，一根人类头发的厚度约为 70 微米。

对厚度和成分的这种精确控制使工程师能够赋予表面特定的电学、光学或机械性能。

沉积薄膜可以彻底改变材料的特性。具体目标完全取决于应用。

常见的改性包括改善电子设备的导电性或绝缘性，增加切削工具的硬度和耐磨性，防止航空航天部件的腐蚀，或控制光学镜片对光的反射和折射。

气相沉积大致分为两大类：物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD)。选择哪种方法取决于沉积的材料和期望的结果。

在 PVD 中，源材料被物理地转化为蒸汽。这通常是通过将其加热到沸点或通过一种称为溅射沉积的过程用离子轰击它来实现的。

然后，这种蒸汽穿过真空室并直接冷凝到较冷的基板上，形成一层固体薄膜。可以将其想象成沸水产生的蒸汽凝结在冷镜子上。PVD 非常适合沉积高熔点材料，如纯金属和某些陶瓷。

在 CVD 中，该过程依赖于化学反应。将前驱气体引入腔室，当它们与加热的基板接触时，它们会相互反应。

该反应形成新的固体材料，并作为薄膜沉积到基板上。CVD 在制造非常纯净、均匀的薄膜以及涂覆复杂形状方面非常有效，因为气体可以到达所有表面。

在原子级别上设计表面的能力使薄膜沉积成为众多高科技行业中的关键过程。

这可能是最著名的应用。薄膜用于制造半导体器件、微芯片和集成电路中的微观导电和绝缘通道。它对于制造 LED 显示器、太阳能电池和数据存储设备也至关重要。

光学涂层通过控制光线的传输或反射来提高镜片和玻璃的性能。这包括眼镜上的抗反射涂层、镜面涂层以及激光和科学仪器中使用的特殊滤光片。

由氮化钛等材料制成的硬质涂层沉积在切削工具、钻头和发动机部件上，以显着提高其硬度、减少摩擦并提高耐磨性。这延长了部件的使用寿命并提高了性能。

薄膜对于人工关节或起搏器等医疗植入物至关重要。生物相容性涂层可确保身体不会排斥植入物，而其他薄膜可以增加抗菌特性或提高耐用性。

尽管这些技术功能强大，但它们存在固有的局限性，指导着它们的使用。

由于 PVD 涉及蒸汽流从源头物理传输到基板，因此它在很大程度上是一个“视线”过程。对于具有隐藏表面或尖锐角度的复杂三维物体，可能难以实现均匀的涂层。

CVD 通常需要非常高的温度才能引发化学反应。基板必须能够承受这种热量而不会损坏或变形。此外，前驱化学品可能具有高毒性、腐蚀性或成本高昂，需要专门的处理和设备。

PVD 和 CVD 系统都非常复杂，需要大量的资本投资。它们在真空环境中运行，需要精确控制温度、压力和气体流量，因此最适合对性能至关重要的、高价值的应用。

在 PVD 和 CVD 之间进行选择取决于材料、基板和应用特定的要求。

最终，了解这些沉积方法之间的区别是成功利用表面工程实现特定目标的关键。

摘要表：