物理气相沉积（PVD）技术简介

黄志云

摘 要：物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。本文主要从真空溅射镀膜、真空蒸发镀膜、行业发展现状三个方面介绍物理气相沉积技术。

关键词：PVD，真空，溅射镀膜，蒸发镀膜

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition 简称PVD）技术是制备薄膜材料的主要技术之一，指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。当下主流的两种 PVD 镀膜方式是溅射镀膜和真空蒸发镀膜。用于制备薄膜材料的物质被称为PVD镀膜材料。本文将从真空溅射镀膜、真空蒸发镀膜、行业发展现况三个方面介绍PVD镀膜技术。

一、真空溅射镀膜

真空溅射镀膜是指在真空条件下，利用获得功能的粒子轰击靶材料表面，使靶材表面原子获得足够的能量而逃逸的过程称为溅射。被溅射的靶材沉积到基材表面，就称作溅射镀膜。真空溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制，可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜，所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点，已成为制备薄膜材料的主要技术之一。溅射镀膜中的入射离子，一般采用辉光放电获得，在l0-2～10Pa范围，所以溅射出来的粒子在飞向基体过程中，易和真空室中的气体分子发生碰撞，使运动方向随机，沉积的膜易于均匀。近年发展起来的规模性磁控溅射镀膜，沉积速率较高，工艺重复性好，便于自动化，已适当于进行大型建筑装饰镀膜，及工业材料的功能性镀膜，各种类型的溅射薄膜材料已得到广泛的应用，按使用的原材料材质不同，溅射靶材可分为金属/非金属单质靶材、合金靶材、化合物靶材等。溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制，可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜，所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点，已成为制备薄膜材料的主要技术之一[1]，各种类型的溅射薄膜材料已得到广泛的应用，因此，对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料需求逐年增加，溅射靶材亦已成为目前市场应用量最大的 PVD 镀膜材料。

高纯金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分，溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节，其中，靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节。 上游的金属提纯主要从自然界重点金属矿石进行提纯，一般的金属能达到 99.8%的纯度，溅射靶材需要达到 99.999%的纯度。溅射靶材制造所涉及的工序精细且繁多，工序流程管理及制造工艺水平将直接影响到溅射靶材的质量和良品率。此环节是在溅射靶材产业链条中对生产设备及技术工艺要求最高的环节，溅射薄膜的品质对下游产品的质量具有重要影响。

二、真空蒸发镀膜

真空蒸发镀膜是指在真空条件下，通过蒸发源加热蒸发某种物质使其沉积在基板材料表面来获得薄膜的一种技术。被蒸发的物质被称为蒸镀材料。蒸发镀膜最早由 M.法拉第在 1857年提出，经过一百多年的发展，现已成为主流镀膜技术之一。

真空蒸发镀膜系统一般由三个部分组成：真空室、蒸发源或蒸发加热装置、放置基板及给基板加热装置。在真空中为了蒸发待沉积的材料，需要容器来支撑或盛装蒸发物，同时需要提供蒸发热使蒸发物达到足够高的温度以产生所需的蒸汽压。

真空蒸发镀膜技术具有简单便利、操作方便、成膜速度快等特点，是应用广泛的镀膜技术。从工艺制造角度上来看，蒸镀材料的制造复杂度要远远低于溅射靶材。真空镀膜材料按照化学成分主要可以分为金属/非金属颗粒蒸发料，氧化物蒸发料，氟化物蒸发料等[1]。金属及非金属颗粒 ：铝蒸发料、镍蒸发料、铜蒸发料、银蒸发料、钛蒸发料、硅蒸发料、钒蒸发料、镁蒸发料、锡蒸发料、铬蒸发料、铟蒸发料、银铜蒸发料、金蒸发料、微晶银粉等。氧化物 ：钛钽合金、锆钛合金、硅铝合金、三氧化二铝、二氧化锆、五氧化三钛、石英环、石英片、氧化铒、钛酸镧等。氟化物 ：氟化镁、氟化镝、氟化镧等

三、行业发展现状

镀膜是现代平板显示产业的基础环节，为保证大面积膜层的均匀性，提高生产率和降低成本，几乎所有类型的平板显示器件都会使用大量的镀膜材料来形成各类功能薄膜，其所使用的PVD镀膜材料主要为溅射靶材，平板显示器的很多性能如分辨率、透光率等都与溅射薄膜的性能密切相关[2]。

在OLED 工艺中，TFT 阵列和 Cell 成盒两个阶段包含众多复杂工艺，关键设备（TFT 设备、蒸镀设备和封装设备）几乎被日本、韩国和美国所垄断，且设备价格昂贵，其中蒸镀设备是整个面板生产过程中最核心的环节，直接影响到制成品的良率和质量，目前市场上的OLED行业中应用的蒸镀设备由日、韩两国垄断。

在PVD行业发展初期，镀膜设备和镀膜材料的配套以国外厂商为主。国外 PVD 镀膜材料厂商的镀膜材料经过与下游客户的镀膜设备、镀膜工艺的长期磨合，各项性能指标与客户的匹配性已较好，具有较强的先发优势，因此，长期以来全球 PVD 镀膜材料研制和生产主要集中于美国、日本和德国少数公司，产业集中度较高。

高纯溅射靶材属于典型的技术密集型产业，研发生产设备专用性强。在一定程度上，全球半导体工业的区域集聚性造就了高纯溅射靶材生产企业的高度聚集。自诞生之日起，以美国、日本为代表的高纯溅射靶材生产企业便对核心技术执行严格的保密措施，导致高纯溅射靶材行业在全球范围内呈现明显的区域集聚特征，生产企业主要集中在美国和日本。

全球范围内，日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯、住友化学等资金实力雄厚、技术水平領先、产业经验丰富的跨国公司居于全球高纯溅射靶材行业的领导地位，属于高纯溅射靶材的传统强势企业，占据全球高纯溅射靶材市场的绝大部分市场份额，主导着全球高纯溅射靶材产业的发展。

总结：由物理气相沉积技术的原理、特点可知，物理气相沉积技术是一种极具发展潜力的薄膜制备技术。笔者认为，今后一段时期内，PVD技术的研究重点将是特殊功能复合膜的制备、在特殊领域气相沉积技术应用机理与工艺研究。随着辅助设备、靶材和工艺的进一步优化，以及与其他交叉学科的共同进步，PVD技术的应用前景会更加广泛。

参考文献：

[1] 王福贞，马文存.气相沉积应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 李健，韦习成.物理气相沉积技术的新发展[J].材料保护，2000，33（1）：91-93.