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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(shù)。

PVD主要分為蒸鍍、濺射和離子鍍?nèi)箢悺?/p>

二.真空蒸鍍

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

1.電阻蒸發(fā)

采用電阻加熱蒸發(fā)源的蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，一般用于蒸發(fā)低熔點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、

缺點(diǎn)

• 材料易與坩堝反應(yīng)，影響薄膜純度

• 不能蒸鍍高熔點(diǎn)的介電薄膜；

• 蒸發(fā)率低
  

2.電子束蒸發(fā)

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

電子束加熱的蒸鍍?cè)从兄睒屝碗娮訕尯蚭型電子槍兩種(也有環(huán)行)，電子束自源發(fā)出，用磁場(chǎng)線圈使電子束聚焦和偏轉(zhuǎn)，對(duì)膜料進(jìn)行轟擊和加熱。

e型電子槍

優(yōu)點(diǎn)

• 可蒸發(fā)任何材料

• 薄膜純度高

• 直接作用于材料表面，熱效率高

缺點(diǎn)

• 電子槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高

• 化合物沉積時(shí)易分解，化學(xué)比失調(diào)

3.激光蒸發(fā)

采用高能激光束對(duì)材料進(jìn)行蒸發(fā)，用以形成薄膜的方法，一般稱為激光蒸鍍。

優(yōu)點(diǎn)

• 薄膜純度高

• 蒸發(fā)速率高

• 特別適合蒸發(fā)成分復(fù)雜的合金或化合物，膜層的化學(xué)計(jì)量比與靶材保持一致

缺點(diǎn)

易產(chǎn)生微小顆粒飛濺，影響薄膜質(zhì)量。

4.感應(yīng)加熱蒸發(fā)

利用高頻電磁場(chǎng)感應(yīng)加熱，使材料汽化蒸發(fā)在基片表面凝結(jié)成膜的技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)

• 蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右

• 蒸發(fā)源的溫度穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象

• 坩堝溫度較低，坩堝材料對(duì)膜導(dǎo)污染較少

缺點(diǎn)

• 蒸發(fā)裝置必須屏蔽

• 造價(jià)高、設(shè)備復(fù)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(dá)襯底凝結(jié)成膜的技術(shù)。與真發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜適用于所有（包括高熔點(diǎn)）材料，具有附著力強(qiáng)、成分可控、易于規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

1.二極濺射

在靶材和襯底之間加上一個(gè)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(shù)。要保持自持放電，在兩極板間距為數(shù)厘米的正常濺射間距下，放電氣壓一般高達(dá)10帕，這對(duì)濺射效率和薄膜質(zhì)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(fā)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(jìn)行。

濺射裝置系統(tǒng)示意圖

優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)

• 只能濺射導(dǎo)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(shí)，靶極會(huì)產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)（即靶極會(huì)自動(dòng)處于負(fù)電位狀態(tài)），使絕緣靶的濺射得到維持。常用的頻率約為13.56兆赫。

優(yōu)點(diǎn)

• 可以濺射所有材料，包括導(dǎo)體和絕緣體

• 濺射效率高

• 可大規(guī)模生產(chǎn)

缺點(diǎn)

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(chǎng)E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)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(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)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(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生E（電場(chǎng)）×B（磁場(chǎng)）所指的方向漂移，簡(jiǎn)稱E×B漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場(chǎng)，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar 來轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場(chǎng)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(jīng)歷復(fù)雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動(dòng)量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)過程。

在這種級(jí)聯(lián)過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動(dòng)的足夠動(dòng)量，離開靶被濺射出來。

優(yōu)點(diǎn)

• 成膜速率高

• 基片溫度低

• 膜的粘附性好

• 可實(shí)現(xiàn)大面積鍍膜

缺點(diǎn)

靶材消耗不均勻，不能采用磁性材料的靶材

4.反應(yīng)濺射

現(xiàn)代表面工程的發(fā)展越來越多地需要用到各種化合物薄膜，反應(yīng)磁控濺射技術(shù)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(shí)，通入一定的反應(yīng)氣體，如氧氣、氮?dú)?，反?yīng)沉積化合物薄膜，后者被稱這反應(yīng)濺射。通常純金屬靶和反應(yīng)氣體較容易獲得很高的純度，因而反應(yīng)濺射被廣泛的應(yīng)用沉積化合物薄膜。

優(yōu)點(diǎn)

(1)反應(yīng) 磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應(yīng)氣體 ( 氧、氮、碳?xì)浠衔锏?) 純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

(2)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù) , 可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜，通過調(diào)節(jié)薄膜的組成來調(diào)控薄膜特性。

(3) 反應(yīng)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(duì)基板進(jìn)行高溫加熱，因此對(duì)基板材料的限制較少。

(4) 反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實(shí)現(xiàn)單機(jī)年產(chǎn)上百萬平方米鍍膜的工業(yè)化生產(chǎn)。

缺點(diǎn)

容易出現(xiàn)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(fā)物質(zhì)離子化，在氣體離子或蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用下，把蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)物蒸鍍?cè)诠ぜ?。其中包括磁控濺射離子鍍、反應(yīng)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(shù)與真空蒸鍍技術(shù)結(jié)合在一起，不僅明顯地提高鍍層的各種性能，而且大大擴(kuò)充了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。離子鍍除兼有真空濺射的優(yōu)點(diǎn)外 ，還具有膜層的附著力強(qiáng)、繞射性好、可鍍材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)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(fā)、沉積過程。蒸發(fā)的鍍膜材料原子在經(jīng)過輝光區(qū)時(shí)，一小部分發(fā)生電離，并在電場(chǎng)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(jié)合力，而未經(jīng)電離的蒸發(fā)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(fā)生的濺射，還可以清除工件表面的污染物，從而改善結(jié)合力。

優(yōu)點(diǎn)

• 沉積速率高

• 膜層致密

• 繞射性好，對(duì)復(fù)雜表面的覆蓋能力強(qiáng)

不同方式各自特性