【MEMS工艺】一文读懂PVD工艺!

文摘   2024-12-31 23:00   江苏  

     PVD(Physical Vapor Deposition)工艺,即物理气相沉积,是一种在高度真空环境下,利用物理手段将固态靶材转化为气态原子或分子的过程,进而使这些气态原子或分子在特定的基材表面上沉积,最终形成一层均匀且致密的薄膜的技术。这一工艺的核心在于其能够在精确控制的环境下,实现靶材到气态再到固态的相变过程,从而确保沉积薄膜的成分、结构和性能与预期目标高度一致。

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     在PVD工艺中,高度真空的环境是至关重要的,因为它可以有效地减少气体分子对沉积过程的干扰,保证靶材原子或分子能够顺利且不受阻碍地到达基材表面。同时,物理方法的应用,如溅射、蒸发等,则是实现靶材相变的关键步骤。这些方法能够高效地将固态靶材转化为气态原子或分子,为后续的沉积过程提供充足的原料。当气态原子或分子到达基材表面时,它们会在表面能的作用下发生吸附、扩散和凝结等一系列物理化学反应,最终形成一层均匀且致密的薄膜。这一薄膜不仅具有优异的物理和化学性能,如硬度、耐磨性、耐腐蚀性等,还可以通过调整工艺参数和靶材种类来实现对薄膜性能的精确调控。PVD工艺以其独特的工艺特点和广泛的应用领域,在材料科学、电子工程、光学器件等多个领域都展现出了巨大的潜力和价值。

一、PVD工艺的基本原理

  • 蒸发

     通过加热、离子轰击或等离子体作用等物理方法,将固态靶材转化为气态原子或分子。蒸发过程中,靶材原子的蒸发速率决定了涂层沉积速度和均匀性。

  • 迁移

     在真空环境下,蒸发出的原子以高速直线运动,迁移到基材表面。迁移的距离和能量分布由真空度和工艺参数决定。

  • 沉积

     到达基材表面的原子通过成核和生长过程,逐渐形成连续、致密的涂层。成核阶段,初始原子在基材表面聚集形成小尺寸的晶核;薄膜生长阶段,晶核进一步扩展,形成致密、均匀的薄膜。这一过程受温度、气压和基材表面能影响,决定了薄膜的晶粒结构和力学性能。

二、PVD工艺的技术分类

  • 真空蒸发镀膜

     在真空条件下,加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸气流,入射到固体(称为衬底或基片)表面,凝结形成固态薄膜。常用的蒸发源有电阻蒸发源和电子束蒸发源。

  • 溅射镀膜

     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。溅射镀膜包括直流溅射、射频溅射和磁控溅射等。

  • 离子镀膜

     在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子部分电离成离子,同时产生许多高能量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下,离子沉积于基体表面形成薄膜。离子镀膜包括空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀和直流放电离子镀等。

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三、PVD工艺的主要优势

  • 高硬度

     PVD涂层硬度通常在2000-4000 HV范围内,适合高耐磨应用。

  • 耐腐蚀性

     PVD涂层在化学环境中稳定,适用于酸碱、高温等恶劣条件。

  • 光学性能

     具有高透明度和低反射率的特点,广泛用于抗反射涂层和光学设备。

  • 高附着力

     PVD涂层与基材通过物理作用紧密结合,减少涂层剥落风险。

  • 低污染环保特性

     PVD工艺不使用有毒化学物质,是一种环保的表面处理技术。

四、PVD工艺的应用领域

  • 机械制造领域

     用于刀具与模具涂层,提升耐磨性和切削效率;用于轴承、齿轮等零件的表面处理,提升使用寿命。

半导体器件

     用于金属互连层的沉积,提升导电性和稳定性。

  • 光学涂层

     广泛用于抗反射和增透薄膜,提高光学性能。

  • 生物相容性

     用于医疗植入物表面涂层,减少人体排异反应,延长植入物寿命。

五、PVD工艺的发展趋势

     随着高科技及新兴工业的发展,PVD工艺不断出现新的亮点和技术突破。例如,多弧离子镀与磁控溅射兼容技术、大型矩形长弧靶和溅射靶、非平衡磁控溅射靶等新型靶材和技术的应用,进一步提升了PVD工艺的效率和性能。


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