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物理氣相沉積技術（PVD）原理、分類及應用

發布時間:

2026-01-13

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物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD）是一種在真空環境下，透過物理手段將靶材轉化為氣態原子、分子或離子，並使其在基體表面沉積形成薄膜的先進表面工程技術。自20世紀初發展至今，PVD技術因其環保、成本可控、耗材少、膜層緻密均勻、膜基結合力強等優勢，已成為現代增材製造與功能塗層領域的重要技術。 PVD可按需製備具有耐磨、耐腐蝕、導電、絕緣、壓電、磁性等特性的功能薄膜，廣泛應用於機械、電子、建築、醫療等多個行業。

一、概述

物理氣相沉積 （物理氣相沉積， PVD ）是一種在真空環境下，透過物理手段將靶材轉化為氣態原子、分子或離子，並使其在基體表面沉積形成薄膜的先進表面工程技術。自20世紀初發展至今，PVD技術因其 環保、成本可控、耗材少、膜層緻密均勻、膜基結合力強 等優勢，已成為現代增材製造與功能塗層領域的重要技術。
PVD可按需製備具有 耐磨、耐腐蝕、導電、絕緣、壓電、磁性 等特性的功能薄膜，廣泛應用於機械、電子、建築、醫療等多個行業。

二、基本工藝原理

PVD的成膜過程通常包含以下三個核心步驟：
  1. 鍍料的氣化 ：透過蒸發、昇華或濺射等方式，使固態靶材轉變為氣態粒子（原子、分子或離子）；
  2. 粒子遷移 ：氣化後的粒子在真空環境中遷移，可能經歷碰撞、電離或激發等物理過程；
  3. 基體沉積 ：粒子到達基體表面後吸附、形核並逐漸生長為連續薄膜。
整個過程在高真空或中等真空條件下進行，有效避免了氣體雜質干擾，確保膜層純度與性能。

三、主要PVD技術類型及原理

1. 真空蒸發鍍膜（ 真空蒸發）

原理最簡單，透過加熱使靶材蒸發並在基體上冷凝成膜。根據熱源不同，可分為：
  • 電阻蒸發 ：利用電流通過電阻絲產生焦耳熱加熱靶材；
  • 電子束蒸發（EB 蒸發） ：聚焦高能電子束轟擊靶材（置於水冷坩堝中），局部溫度可達3000 K以上，適用於高熔點材料；
  • 電弧蒸發／激光蒸發 ：分別利用電弧放電或高能激光脈衝實現靶材汽化。

2. 真空濺射鍍膜 （濺射沉積）

在真空環境中，利用高能離子（通常為Ar⁺）轟擊靶材表面，使靶原子因動量傳遞而「濺射」出來，並沉積於基體上。
  • 磁控濺射 是主流形式：透過磁場約束電子運動路徑，提高等離子體密度和濺射效率；
  • 濺射過程中伴隨「輝光放電」現象，源於電子與Ar⁺複合時釋放的光子；
  • 入射離子能量影響成膜機制：
    • 能量低 → 离子直接沉積（離子束沉積）；
    • 能量適中 → 有效濺射靶材原子；
    • 能量過高 → 离子注入靶材內部，影響濺射效率。

3. 電弧離子鍍（Arc Ion Plating, AIP）

基於 陰極電弧放電 原理：在低真空（約10⁻² Pa）下，透過引弧針在導電靶材表面引發電弧，瞬間高溫（>10⁴ K）使靶材局部蒸發並高度離化，形成金屬等離子體，隨後在偏壓作用下沉積於基體。
特點 ：
  • 離化率高（可達70%～100%），膜基結合力極強；
  • 沉積速率快，可製備較厚塗層；
  • 基體溫升小，適合熱敏感材料；
  • 工作真空度較高，污染少。

4. 電子束物理氣相沉積（EB-PVD）

結合電子束蒸發與定向沉積優勢，利用高能電子束精準加熱靶材，蒸汽在低溫基體上外延生長，常形成 柱狀晶結構 。
優勢 ：
  • 蒸發速率高（可達10–15 kg/h）；
  • 成分控制精確，無坩堝污染；
  • 膜層緻密、熱效率高；
  • 特別適用於熱障塗層（如航空發動機葉片塗層）。

四、主要應用領域

1.  刀具與模具表面強化

  • 沉積TiN、TiC、AlCrN等硬質塗層；
  • 顯著提升 硬度、耐磨性、抗黏屑性 ，延長工具壽命，提高切削效率。

2.  建築裝飾材料

  • 製備金色、玫瑰金、黑色等裝飾性塗層（如不銹鋼表面TiN）；
  • 工藝清潔無污染，符合綠色製造趨勢。

3.  特殊功能薄膜製備

  • 利用PVD（如脈衝激光沉積PLD）製備 類鑽石碳（DLC）膜、鐵電薄膜、超導薄膜 等；
  • 在快速凝固條件下獲得 細晶、高固溶度、低偏析 的先進材料，如顆粒增強金屬基複合材料（MMCs）。

4.  電子與醫學器件薄膜

  • 鐵電/介電薄膜用於 非易失性儲存器（FeRAM）、電容器、紅外探測器 ；
  • 生物相容性塗層（如Ti、Ta₂O₅）用於 人工關節、牙科植入體 等醫療器械。

5.  耐腐蝕防護塗層

  • 致密PVD膜（如CrN、Al₂O₃）有效阻隔H₂O、O₂、Cl⁻等腐蝕介質；
  • 廣泛用於海洋裝備、化工設備及航空航天部件的長效防腐。

五、總結

物理氣相沉積技術憑藉其 高精度、多功能、環境友好 的特點，已成為現代先進製造不可或缺的核心工藝之一。隨著對高性能材料需求的不斷增長，PVD技術正朝著 高離化率、納米結構調控、複合工藝集成 等方向持續發展，未來在新能源、微電子、生物醫療等前沿領域將發揮更大作用。

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