从基础原理到产业实践｜PVD镀膜技术的工艺流程与应用亮点

一、PVD镀膜的主要工艺技术

A. 蒸发镀膜（Evaporation Coating）

1. 基本原理：热蒸发和电子束蒸发的工作机制

蒸发镀膜是一种将固态材料通过加热转换为气态后沉积在基片上的技术。该工艺包含两种主要加热方式：

热蒸发：利用电阻加热使靶材（如金属或低熔点合金）达到蒸发温度。适合蒸发低熔点材料如铝、银，但不适用于高熔点材料。

电子束蒸发：通过电子束定向加热靶材表面，可实现高温，使得钨、钼等高熔点材料也能被气化。电子束蒸发技术复杂，但能制备高质量的薄膜，适用于高熔点和高纯度材料的沉积。

2. 蒸发镀膜的适用材料及特点

蒸发镀膜广泛应用于金属、氧化物等材料。其特点在于膜层的表面光洁、致密度高，适合对光学性能要求较高的场合，如反射镜镀层及透明导电膜。

3. 热蒸发与电子束蒸发的优缺点与典型应用

热蒸发的优缺点：

优点：设备简单，成本低，适用于低熔点材料。

缺点：温度限制较大，薄膜质量较难控制。

电子束蒸发的优缺点：

优点：适用高熔点材料，能精确控制沉积厚度。

缺点：设备复杂，成本较高。

典型应用：

反射镜镀膜、光学滤光片等光学薄膜。

集成电路和MEMS中的导电膜。

B. 溅射镀膜（Sputtering Coating）

1. 溅射原理：直流溅射、射频溅射和磁控溅射

溅射镀膜通过电场加速氩气等惰性气体形成等离子体，轰击靶材原子并使其溅射到基片上。根据电源类型和磁场配置，溅射可分为：

直流溅射（DC Sputtering）：适用于导电材料，使用简单的直流电源产生离子流，靶材易损耗。

射频溅射（RF Sputtering）：射频电场激发等离子体，适合绝缘材料的沉积，是薄膜氧化物和氮化物镀膜的标准方法。

磁控溅射（Magnetron Sputtering）：利用磁场将电子限制在靶材表面，增加电子碰撞概率，提高沉积速率和薄膜均匀性。磁控溅射工艺稳定、适用范围广，尤其适用于大面积涂层。

2. 磁控溅射的特点及优势

磁控溅射具备较高的沉积速率和良好的薄膜均匀性，沉积温度低且控制灵活，非常适合工业大规模生产。其主要优势在于精确的厚度控制与高附着力，尤其在微电子器件、触摸屏、显示器等领域应用广泛。

3. 溅射气体（如氩气）在不同工艺中的作用

氩气为溅射主要工作气体。氩气离子化生成的等离子体能有效轰击靶材，产生溅射效应。此外，在反应性溅射中，引入氧气或氮气等反应气体可以实现氧化物、氮化物薄膜的制备，如TiO₂、AlN等。

C. 离子镀（Ion Plating）

1. 离子镀的沉积机制与应用领域

离子镀是一种增强薄膜附着力的PVD方法，利用高能等离子体使沉积粒子带电，以增加薄膜密度和表面硬度。离子镀适合在高附着力需求的工业应用中使用，如耐磨、耐蚀涂层。

2. 多弧离子镀的特点

多弧离子镀采用弧光放电产生高能离子，形成致密薄膜。它具有极好的抗磨性和耐腐蚀性，适合切削工具、模具等高磨损场合的镀层。

D. 脉冲激光沉积（PLD）

1. 激光沉积的过程、特点与应用领域

PLD使用高能激光脉冲作用于靶材，将材料瞬间气化沉积到基片上。PLD工艺适合精密薄膜的制备，尤其适合制备超薄膜、复合膜，广泛用于超导材料、光电材料和纳米薄膜。

2. 在高质量薄膜沉积中的优势

PLD能够精确控制薄膜厚度和成分，具有较高的成膜均匀性和重复性。特别适用于在纳米尺度下的高纯度薄膜制备，如高质量超导体薄膜和量子点薄膜。

二、PVD镀膜的工艺流程与关键参数控制

A. 前处理与基片清洁

1. 基片清洁的重要性及方法

基片清洁是确保PVD成膜质量的第一步。常见的清洁方法包括等离子体清洗、超声波清洗等，可有效去除表面油脂、颗粒，防止薄膜附着力下降。

2. 表面粗糙度和清洁度对成膜质量的影响

表面粗糙度和清洁度直接影响薄膜的均匀性和附着力。低粗糙度、无杂质的基片有助于形成致密、无缺陷的高质量薄膜。

B. 真空环境的建立

1. 高真空和超高真空的建立方法

PVD工艺需在高真空环境下进行，以降低杂质含量。通常采用离子泵、分子泵、扩散泵建立高真空，真空度对薄膜质量影响显著。

2. 真空度对PVD工艺和薄膜质量的影响

高真空能防止气体杂质影响薄膜的致密性和附着力，真空度不足会导致膜层夹杂气孔和非晶化，影响成膜效果。

C. 气体环境与气压控制

1. 反应气体的引入及控制

反应性溅射和离子镀需要引入氧气或氮气等反应气体。通过精确控制气体流量，可控制薄膜的成分，如制备氮化物、氧化物。

2. 气压对溅射效率和膜层特性的影响

适当的气压提高等离子体密度，从而增强溅射效率；过高或过低气压均可能影响成膜速率及均匀性。

D. 沉积过程的温度控制

1. 基片温度对薄膜结构与性能的影响

基片温度对薄膜的晶体结构、致密性和附着力有重要影响。高温有助于薄膜结晶，但不适合热敏材料的沉积。

E. 沉积速率与成膜厚度控制

1. 沉积速率的测量与控制方法

沉积速率通常使用石英晶体微天平测量，沉积速率对薄膜厚度的精确控制尤为重要，特别是在精密电子器件中。

三、PVD镀膜的主要应用领域

A. 微电子与半导体

导电薄膜：在集成电路的金属互连层中，PVD工艺制备的导电薄膜稳定、导电性强。

绝缘薄膜和钝化层：溅射氧化硅、氮化硅用于钝化和绝缘保护。

B. 光学与光电器件

ITO透明导电膜：用于LCD、OLED等显示器件中。

防反射膜和高反射膜：提升太阳能电池的光吸收效率，改善激光系统光学性能。

C. 工具涂层与耐磨涂层

硬质薄膜：TiN、CrN等涂层延长刀具寿命。

高耐磨涂层：在工业零件中增强耐磨性。

D. 装饰性镀膜

珠宝、钟表涂层：PVD能实现丰富的色彩，提供高光泽装饰。

光泽控制技术：适应个性化装饰需求。

E. 新能源与环保应用

燃料电池电极：提升电化学活性。

光催化薄膜：应用于太阳能光催化器件。