Pvd蒸发中使用哪些材料？选择金属和电介质以获得卓越的薄膜

在PVD蒸发中，最常用的材料是纯金属和某些电介质化合物，这些材料可以进行热加热达到蒸发状态而不会分解。关键例子包括用于反射涂层的铝（Al）、用于导电层的金（Au）和铜（Cu）、用于装饰和硬质表面的铬（Cr），以及用于光学薄膜的二氧化硅（SiO₂）。选择取决于材料在真空中转变为气态的物理能力。

决定材料是否适合PVD蒸发的关键因素不是固定的清单，而是其蒸气压。材料必须能够在可控的温度下达到足够高的蒸气压，以便有效蒸发而不会发生化学分解。

基本原理：一切都与蒸气压有关

蒸发过程受一个简单的物理性质控制。理解这一点是为您的涂层选择正确源材料的关键。

什么是蒸气压？

蒸气压是物质在给定温度下处于密闭系统中时，其蒸气所固有的压力。简单来说，它是衡量材料从固态或液态转变为气态的趋势的量度。

蒸气压高的材料，如锌，很容易蒸发。蒸气压非常低的材料，如钨，需要极高的温度才能蒸发。

温度如何驱动蒸发

PVD蒸发过程是通过在高真空腔室内加热源材料来实现的。随着材料温度的升高，其蒸气压呈指数级增加。

一旦材料的蒸气压变得显著，原子或分子就会开始从表面“蒸发”出来，穿过真空，并凝结在较冷的基板上，形成薄膜。

理想的蒸发材料

热蒸发的理想材料具有两个主要特性：

在相当低的温度下（例如低于2000°C）具有高蒸气压。
热稳定性，意味着它以预期的分子或原子形式蒸发，而不会分解成其他物质。

PVD蒸发中使用的常见材料

基于蒸气压原理，特定的一组材料已成为该过程在各个行业的标准。

纯金属（主力军）

纯金属是最直接易于蒸发的材料，并被广泛使用。

铝 (Al)：广泛用于制造镜面的高反射表面、装饰涂层以及微电子中的导电层。
金 (Au) 和银 (Ag)：因其优异的导电性、耐腐蚀性和生物相容性而受到重视。用于电子设备、医疗设备和珠宝。
铬 (Cr)：提供坚硬、耐腐蚀且光亮的装饰性表面。它也是其他金属的优良附着层。
钛 (Ti)：用于生物相容性植入物、硬质涂层（通常与氮结合形成TiN）以及作为附着层。
铜 (Cu)：集成电路和印刷电路板中导电互连的主要材料。

电介质和陶瓷化合物

蒸发化合物更为复杂，但对于光学应用至关重要。

一氧化硅 (SiO) 和二氧化硅 (SiO₂)：广泛用于光学领域，以创建保护层并调节抗反射涂层的折射率。
氟化镁 (MgF₂)：用于抗反射镜头涂层的经典低折射率材料。
二氧化钛 (TiO₂)：用于多层干涉滤光片的高折射率光学材料。

合金（一种平衡行为）

蒸发合金可能具有挑战性。合金中的每种元素都有其独特的蒸气压，这意味着蒸气压较高的元素会蒸发得更快。

这可能导致蒸气的成分——以及最终的薄膜——与源材料的成分不同。然而，一些合金如镍铬合金 (NiCr) 常被蒸发以制造精密电阻薄膜。

理解取舍：蒸发的局限性

没有一种工艺对所有材料或应用都是完美的。了解蒸发的限制对于做出明智的决定至关重要。

难熔金属的挑战

具有极高熔点和低蒸气压的金属，如钨 (W)、钽 (Ta) 和 钼 (Mo)，很难通过热蒸发沉积。它们需要巨大的能量，通常需要更先进的技术，如电子束蒸发。

当化合物分解时

许多复杂的化合物和聚合物不能进行热蒸发。当加热时，它们的化学键在达到足够的蒸气压之前就会断裂，导致它们分解。所得薄膜将不具有所需的化学结构或性能。

何时考虑溅射

对于难以蒸发的材料——包括大多数复杂的合金、陶瓷和难熔金属——PVD溅射通常是更优的选择。溅射是一种机械“击出”过程，而不是热过程，它允许沉积几乎任何材料，同时保持源材料的原始成分。

为您的应用做出正确的选择

您的最终材料选择完全取决于您对最终薄膜所需具备的性能。

如果您的主要关注点是高反射率或导电性： 您最好的选择是铝、银、金或铜等纯金属。
如果您的主要关注点是坚硬、装饰性或保护性表面： 铬是直接蒸发的优秀且常见的选择。
如果您的主要关注点是光学涂层： 您需要使用二氧化硅 (SiO₂) 或氟化镁 (MgF₂) 等电介质化合物。
如果您的主要关注点是沉积复杂的合金或难熔金属： 蒸发可能不适用；您应该强烈考虑PVD溅射以获得更好的成分控制。

最终，选择正确的材料是一个将所需的薄膜性能与您打算使用的PVD方法的物理现实相匹配的过程。

总结表：

材料类别	常见示例	主要应用
纯金属	铝 (Al)、金 (Au)、铬 (Cr)	反射涂层、导电层、硬质表面
电介质化合物	二氧化硅 (SiO₂)、氟化镁 (MgF₂)	光学薄膜、抗反射涂层
合金	镍铬合金 (NiCr)	精密电阻薄膜