一.PVD是指什么？

PVD（Physical Vapor Deposition），在真空条件下，采用物理方法，使材料源表面气化成原子、分子或离子，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

PVD主要分为蒸镀、溅射和离子镀三大类。

二.真空蒸镀

真空条件下，将镀料加热蒸发或升华，材料的原子或分子直接在衬底上成膜的技术。以下介绍几种常见的真空蒸镀技术：

1.电阻蒸发

采用电阻加热蒸发源的蒸发镀膜技术，一般用于蒸发低熔点材料，如铝、金、银、硫化锌、氟化镁、三氧化二铬等；加热电阻一般采用钨、钼、钽等。

优点

结构简单、成本低、

缺点

• 材料易与坩埚反应，影响薄膜纯度

• 不能蒸镀高熔点的介电薄膜；

• 蒸发率低
  

2.电子束蒸发

利用高速电子束加热使材料汽化蒸发，在基片表面凝结成膜的技术。电子束热源的能量密度可达104-109w/cm2，可达到3000℃以上，可蒸发高熔点的金属或介电材料如钨、钼、锗、SiO2、AL2O3等。

电子束加热的蒸镀源有直枪型电子枪和e型电子枪两种(也有环行)，电子束自源发出，用磁场线圈使电子束聚焦和偏转，对膜料进行轰击和加热。

e型电子枪

优点

• 可蒸发任何材料

• 薄膜纯度高

• 直接作用于材料表面，热效率高

缺点

• 电子枪结构复杂，造价高

• 化合物沉积时易分解，化学比失调

3.激光蒸发

采用高能激光束对材料进行蒸发，用以形成薄膜的方法，一般称为激光蒸镀。

优点

• 薄膜纯度高

• 蒸发速率高

• 特别适合蒸发成分复杂的合金或化合物，膜层的化学计量比与靶材保持一致

缺点

易产生微小颗粒飞溅，影响薄膜质量。

4.感应加热蒸发

利用高频电磁场感应加热，使材料汽化蒸发在基片表面凝结成膜的技术。

优点

• 蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右

• 蒸发源的温度稳定，不易产生飞溅现象

• 坩埚温度较低，坩埚材料对膜导污染较少

缺点

• 蒸发装置必须屏蔽

• 造价高、设备复杂

三.溅射镀膜

在真空中，高能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而逸出表面，到达衬底凝结成膜的技术。与真发镀膜相比，溅射镀膜适用于所有（包括高熔点）材料，具有附着力强、成分可控、易于规模化生产等优点。

1.二极溅射

在靶材和衬底之间加上一个直流高压，极板间的气体（一般为Ar2）电离，高速带电离子轰击靶材表面的溅射镀膜技术。要保持自持放电，在两极板间距为数厘米的正常溅射间距下，放电气压一般高达10帕，这对溅射效率和薄膜质量都是不利的。因此，直流溅射多采用非自持放电，也就是加入热电子发射极和辅助阳极的四极溅射，可使溅射在10-1～10-2帕的低气压下进行。

溅射装置系统示意图

优点

结构简单

缺点

• 只能溅射导电性好的金属材料

• 溅射效率较低
  

2.射频溅射

采用射频电源代替直流电源，在靶和衬底间施加高频电压，溅射时，靶极会产生自偏压效应（即靶极会自动处于负电位状态），使绝缘靶的溅射得到维持。常用的频率约为13.56兆赫。

优点

• 可以溅射所有材料，包括导体和绝缘体

• 溅射效率高

• 可大规模生产

缺点

射频电源有一定的辐射问题

3.磁控溅射

磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子。

其中：

新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。

在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。

由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。

在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

优点

• 成膜速率高

• 基片温度低

• 膜的粘附性好

• 可实现大面积镀膜

缺点

靶材消耗不均匀，不能采用磁性材料的靶材

4.反应溅射

现代表面工程的发展越来越多地需要用到各种化合物薄膜，反应磁控溅射技术是沉积化合物薄膜的主要方式之一。沉积多元成分的化合物薄膜，可以使用化合物材料制作的靶材溅射沉积，也可以在溅射纯金属或合金靶材时，通入一定的反应气体，如氧气、氮气，反应沉积化合物薄膜，后者被称这反应溅射。通常纯金属靶和反应气体较容易获得很高的纯度，因而反应溅射被广泛的应用沉积化合物薄膜。

优点

(1)反应 磁控溅射所用的靶材料 ( 单元素靶或多元素靶 ) 和反应气体 ( 氧、氮、碳氢化合物等 ) 纯度很高，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。

(2)通过调节反应磁控溅射中的工艺参数 , 可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜，通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性。

(3) 反应磁控溅射沉积过程中基板升温较小，而且制膜过程中通常也不要求对基板进行高温加热，因此对基板材料的限制较少。

(4) 反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜，并能实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。

缺点

容易出现靶中毒，阳极消失等问题

四.离子镀膜

离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或蒸发物质离子轰击作用下，把蒸发物质或其反应物蒸镀在工件上。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。离子镀把辉光放电、等离子技术与真空蒸镀技术结合在一起，不仅明显地提高镀层的各种性能，而且大大扩充了镀膜技术的应用范围。离子镀除兼有真空溅射的优点外 ，还具有膜层的附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点。因此，近年来在国内外得到了迅速的发展。离子镀的基本原理是借助一种惰性气体的辉光或弧光放电使金属或合金蒸汽离子化。离子镀包括镀膜材料（如TiN、TiC）的受热、蒸发、沉积过程。蒸发的镀膜材料原子在经过辉光区时，一小部分发生电离，并在电场的作用下飞向工件，以几千电子伏的能量射到工件表面上，可以打入基体约几纳米的深度，从而大大提高了涂层的结合力，而未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。惰性气体离子与镀膜材料离子在工件表面上发生的溅射，还可以清除工件表面的污染物，从而改善结合力。

优点

• 沉积速率高

• 膜层致密

• 绕射性好，对复杂表面的覆盖能力强

不同方式各自特性