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一.PVD是指什么？

PVD（Physical Vapor Deposition），在真空條件下，采用物理方法，使材料源表面氣化成原子、分子或離子，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術。

PVD主要分為蒸鍍、濺射和離子鍍三大類。

二.真空蒸鍍

真空條件下，將鍍料加熱蒸發或升華，材料的原子或分子直接在襯底上成膜的技術。以下介紹幾種常見的真空蒸鍍技術：

1.電阻蒸發

采用電阻加熱蒸發源的蒸發鍍膜技術，一般用于蒸發低熔點材料，如鋁、金、銀、硫化鋅、氟化鎂、三氧化二鉻等；加熱電阻一般采用鎢、鉬、鉭等。

優點

結構簡單、成本低、

缺點

• 材料易與坩堝反應，影響薄膜純度

• 不能蒸鍍高熔點的介電薄膜；

• 蒸發率低
  

2.電子束蒸發

利用高速電子束加熱使材料汽化蒸發，在基片表面凝結成膜的技術。電子束熱源的能量密度可達104-109w/cm2，可達到3000℃以上，可蒸發高熔點的金屬或介電材料如鎢、鉬、鍺、SiO2、AL2O3等。

電子束加熱的蒸鍍源有直槍型電子槍和e型電子槍兩種(也有環行)，電子束自源發出，用磁場線圈使電子束聚焦和偏轉，對膜料進行轟擊和加熱。

e型電子槍

優點

• 可蒸發任何材料

• 薄膜純度高

• 直接作用于材料表面，熱效率高

缺點

• 電子槍結構復雜，造價高

• 化合物沉積時易分解，化學比失調

3.激光蒸發

采用高能激光束對材料進行蒸發，用以形成薄膜的方法，一般稱為激光蒸鍍。

優點

• 薄膜純度高

• 蒸發速率高

• 特別適合蒸發成分復雜的合金或化合物，膜層的化學計量比與靶材保持一致

缺點

易產生微小顆粒飛濺，影響薄膜質量。

4.感應加熱蒸發

利用高頻電磁場感應加熱，使材料汽化蒸發在基片表面凝結成膜的技術。

優點

• 蒸發速率大，可比電阻蒸發源大10倍左右

• 蒸發源的溫度穩定，不易產生飛濺現象

• 坩堝溫度較低，坩堝材料對膜導污染較少

缺點

• 蒸發裝置必須屏蔽

• 造價高、設備復雜

三.濺射鍍膜

在真空中，高能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而逸出表面，到達襯底凝結成膜的技術。與真發鍍膜相比，濺射鍍膜適用于所有（包括高熔點）材料，具有附著力強、成分可控、易于規模化生產等優點。

1.二極濺射

在靶材和襯底之間加上一個直流高壓，極板間的氣體（一般為Ar2）電離，高速帶電離子轟擊靶材表面的濺射鍍膜技術。要保持自持放電，在兩極板間距為數厘米的正常濺射間距下，放電氣壓一般高達10帕，這對濺射效率和薄膜質量都是不利的。因此，直流濺射多采用非自持放電，也就是加入熱電子發射極和輔助陽極的四極濺射，可使濺射在10-1～10-2帕的低氣壓下進行。

濺射裝置系統示意圖

優點

結構簡單

缺點

• 只能濺射導電性好的金屬材料

• 濺射效率較低
  

2.射頻濺射

采用射頻電源代替直流電源，在靶和襯底間施加高頻電壓，濺射時，靶極會產生自偏壓效應（即靶極會自動處于負電位狀態），使絕緣靶的濺射得到維持。常用的頻率約為13.56兆赫。

優點

• 可以濺射所有材料，包括導體和絕緣體

• 濺射效率高

• 可大規模生產

缺點

射頻電源有一定的輻射問題

3.磁控濺射

磁控濺射的工作原理是指電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發生碰撞，使其電離產生出Ar正離子和新的電子。

其中：

新電子飛向基片，Ar離子在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發生濺射。

在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產生的二次電子會受到電場和磁場作用，產生E（電場）×B（磁場）所指的方向漂移，簡稱E×B漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。若為環形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區域內，并且在該區域中電離出大量的Ar 來轟擊靶材，從而實現了高的沉積速率。隨著碰撞次數的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠離靶表面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。

由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。

磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經歷復雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級聯過程。

在這種級聯過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運動的足夠動量，離開靶被濺射出來。

優點

• 成膜速率高

• 基片溫度低

• 膜的粘附性好

• 可實現大面積鍍膜

缺點

靶材消耗不均勻，不能采用磁性材料的靶材

4.反應濺射

現代表面工程的發展越來越多地需要用到各種化合物薄膜，反應磁控濺射技術是沉積化合物薄膜的主要方式之一。沉積多元成分的化合物薄膜，可以使用化合物材料制作的靶材濺射沉積，也可以在濺射純金屬或合金靶材時，通入一定的反應氣體，如氧氣、氮氣，反應沉積化合物薄膜，后者被稱這反應濺射。通常純金屬靶和反應氣體較容易獲得很高的純度，因而反應濺射被廣泛的應用沉積化合物薄膜。

優點

(1)反應 磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應氣體 ( 氧、氮、碳氫化合物等 ) 純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

(2)通過調節反應磁控濺射中的工藝參數 , 可以制備化學配比或非化學配比的化合物薄膜，通過調節薄膜的組成來調控薄膜特性。

(3) 反應磁控濺射沉積過程中基板升溫較小，而且制膜過程中通常也不要求對基板進行高溫加熱，因此對基板材料的限制較少。

(4) 反應磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實現單機年產上百萬平方米鍍膜的工業化生產。

缺點

容易出現靶中毒，陽極消失等問題

四.離子鍍膜

離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發物質離子化，在氣體離子或蒸發物質離子轟擊作用下，把蒸發物質或其反應物蒸鍍在工件上。其中包括磁控濺射離子鍍、反應離子鍍、空心陰極放電離子鍍（空心陰極蒸鍍法）、多弧離子鍍（陰極電弧離子鍍）等。離子鍍把輝光放電、等離子技術與真空蒸鍍技術結合在一起，不僅明顯地提高鍍層的各種性能，而且大大擴充了鍍膜技術的應用范圍。離子鍍除兼有真空濺射的優點外 ，還具有膜層的附著力強、繞射性好、可鍍材料廣泛等優點。因此，近年來在國內外得到了迅速的發展。離子鍍的基本原理是借助一種惰性氣體的輝光或弧光放電使金屬或合金蒸汽離子化。離子鍍包括鍍膜材料（如TiN、TiC）的受熱、蒸發、沉積過程。蒸發的鍍膜材料原子在經過輝光區時，一小部分發生電離，并在電場的作用下飛向工件，以幾千電子伏的能量射到工件表面上，可以打入基體約幾納米的深度，從而大大提高了涂層的結合力，而未經電離的蒸發材料原子直接在工件上沉積成膜。惰性氣體離子與鍍膜材料離子在工件表面上發生的濺射，還可以清除工件表面的污染物，從而改善結合力。

優點

• 沉積速率高

• 膜層致密

• 繞射性好，對復雜表面的覆蓋能力強

不同方式各自特性