PVD是指，在真空狀態的容器中用某種方法使薄膜物質氣化并使氣附著在附近的基板上的薄膜形成方法。根據用途不同，方法也有各種各樣，按薄膜物質的氣化方法分類的話能分成蒸發系和濺射系。

蒸發系

將薄膜物質加熱蒸發，在比蒸發溫度低的基本表面上凝結成固體形成薄膜的方法。蒸發源為：1.抵抗加熱，2.電子光束加熱，3.高周波誘導加熱，4.激光束加熱等。

上述之中最多被使用的是電子光束加熱，幾乎可以蒸發所有的物質。抵抗加熱是和鎢、鉭、鉬等燈絲材料直接通電而加熱的方法。燈絲材料為舟狀或金屬線狀時，能將薄膜物質放在上面或掛在上面蒸發。另外，也有碳素、陶瓷等坩堝外面用卷上燈絲加熱的方法。通常是用于鋁、金、銀、銅等蒸發溫度比較低的物質。高周波誘導加熱用于鋁的大量蒸發；激光束加熱有不破壞化合物組成的特長，這兩種方法只限用于某種范圍。

蒸發系的具代表性的鍍膜方法如下：

1. 真空蒸鍍（Vacuum Deposition）

如圖4.1，真空容器中放入蒸發源和基板。通常，在10-2?10-4Pa左右的壓力下成膜。這時，平均自由行程為數10cm?數10m左右，因此從蒸發源氣化了的薄膜物質能幾乎不遇到沖突就可以到達基板。真空蒸鍍時，蒸發粒子的能量為0.1?1eV，是個很小的數值。因為影響膜質的能量為度鍍膜時加熱基板的熱能，因此有對基板的損傷少，膜中摻入不純物質的幾率低的優點。另一方面，膜容易造成毛孔，密度和曲折率也低，有膜強度不足的傾向。最佳鍍膜條件下制成的TiO2/SiO2層積膜橫截面的SEM（走查型電子顯微鏡）像如圖4.2所示。

要鍍出更細致強度更高而且表面平滑的膜，可以按圖4.3所示，在真空蒸鍍中加上離子槍，用數100eV左右的氣體離子（包括中和所需的同量電子）照射基板，這種運動能量可制出細致的膜。這種方法稱為離子光束輔助蒸鍍（Ion-beam Assisted Deposition：IAD），是非常常見的方法。圖4.4為用Ta2O5和SiO2反復蒸鍍的多層膜的SEM像。像這樣的多層膜，因為全體膜厚會變厚，在真空蒸鍍中膜厚變厚會使膜的平滑性受影響，但使用IAD可以鍍出平滑的多層膜。

另外，離子的能量設定為數keV?數十keV，形成基板和膜的中間層的方法稱為離子混合。

2. 分子線蒸鍍（Molecular Beam Epitaxy）

如使用圖4.5的設備，在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產生的蒸氣，經小孔（Kundsen cell：K cell）準直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當溫度的單晶基片上，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。蒸發源經過精密的溫度控制，鍍膜在單原子層單位中進行，過程由反射電子線曲折（RHEED）觀察。因此，大大受到鍍膜室內的殘留氣體的影響，所以要在10-7?10-9的超高真空中進行。主要用于半導體單結晶膜的制作，還可以使不純物質興奮。另外，還可以制作超格子（人工格子構造）。蒸發源配上激光的方法主要是用于制作氧化物超傳導薄膜，也稱作激光燒蝕法（Laser Ablation）。把設備的鍍膜室、基板交換室、分析室互相連接，再用門閥隔開，基板的傳輸用翻料裝置執行。

3. 離子電鍍（Ion Plating）

D. M. Mattox在1964年發布的直流放電10）為發端，之后各種的研究開發得出的鍍膜方法。Mattox的方法是，在基板上外施數kV的負電壓，在數Pa的壓力下鍍膜。氬氣、蒸發粒子的離子通過基板附近的陰極暗部的電位差而加速，與基板相沖突。通過這些能量能得到附著力強的薄膜。而且，在平均自由行程短的壓力下鍍的膜覆蓋能力良好，因此可以用在制作用于宇宙航空機器軸承等的軟質金屬的成膜。如圖4.6，在蒸發源和基板之間的離子化方法也多種多樣，因此用途也非常廣泛。主要的離子化方法如下：

①將施加了正電壓的探針設置在電子槍蒸發源正上方，使反射電子、二次電子加速供離子化利用。

②利用高周波放電，使用10-2左右的氬氣或反應性氣體進行成膜。

③利用空心陰極放電型（HCD）的低電壓、大電流的電子槍（等離子槍）于離子化、蒸發等。

為陰極，以真空室作為接地電位的陽極，在施加直流電壓。只有使觸發針一瞬接觸到靶材，便發生真空電弧放電，使靶材表面發生細小的發電點。發生發電點的地方，靶材會被瞬間蒸發。真空電弧放電而產生的蒸氣的離子化率達到80%，高于其他方法。真空電弧放電的原理由Daalder解明14）。

這個方法的優點是，只會從靶材上的細小部分開始蒸發，所以不需要限制靶材的設置方向。因此，就算基板的形狀復雜而導致靶材的設置方向不一致，也不需要移動基板就能鍍出均一的薄膜。相反，存在著①多數一般稱為微滴的μm單位的粒子會附著到表面；②鍍絕緣膜時放電會停止；這樣的缺點。

無論什么方法的離子電鍍，基板會利用負電壓或高周波（絕緣體的情況下）偏壓，從而使離子加速可有效地調節運動能量。另外，由于氣氛處于活躍狀態，導入氧、氮、乙炔等反應性氣體就能鍍出氧化物、氮化物、炭化物等的薄膜。一般，離子電鍍膜的緊貼性良好，高密度而且針孔少為特點。主要用于切削工具、金屬模具、裝飾品等的表面硬化膜或裝飾膜，具代表性的為鈦金屬、鉻金屬的氮化膜、炭化膜、炭氮化膜等。

4.離子光束蒸鍍（Ion Beam Deposition）

利用離子源制造薄膜物質的離子光束，使其加速并薄膜化的方法。廣義上可作為離子電鍍的一種。串離子光束蒸鍍15）（ Ionized Cluster Beam Deposition ）為其中具代表性的方法，由于用此方法能得到結晶性良好的薄膜，因此多用于半導體等的外延成長的應用研究。

濺射系

高能量的原子、分子與固體在碰撞后，原子會被趕出固體表面。這種現象稱為濺射（ Sputter ）或者是濺鍍（ Sputtering ），被碰撞的固體稱為靶材（ Target ）。通過高能量的原子、分子會反復碰撞，靶材會被加熱，為了防止溶解，會從背面進行水冷。

1. 常規濺射（Conventional Sputtering）

如圖4.7，把基板設置在靶材的對面方向，數Pa?數10Pa程度的氬氣中對靶材施加數kV的負直流高電壓使其放電。這個放電為圖3.17的款式相同，為陰極的靶材的附近的陰極暗部的電位差會變大。而且一部分氬氣會放出1個電子，成為帶有＋1值電荷的氬離子，利用它的電位差加速使靶材沖突趕出原子。這些被趕出的原子在基板上積聚成薄膜，這就是濺射鍍膜的原理。2極放電中，氬氣壓力和放電電壓都處于高數值，將從熱燈絲放出的的熱電子照射到氬氣能容易維持放電，使壓力為10-1?10-2Pa左右，放電電壓為2kV以下的3極或4極直流濺射被開發，令膜質得到改善。另外，靶材為絕緣物的情況下，表面會積聚氬離子導致電位上升而使濺射停止。這時使用高周波（通常13.56MHz）能根據氬離子和電子的移動度不同，使更多的電子能到達靶材表面，令被負電位變壓的絕緣物也能實現濺射。

2.磁控濺射（Magnetron Sputtering）

上述的常規濺射，和蒸鍍相比鍍膜速度成了它小小的瑕疵。將其改善后開發出的就是圖4.8所示的磁電管陰極。在靶材背面放上磁石，利用靶材表面的漏磁場。由于磁場的影響，電子在靶材表面附近描畫圓環曲線并圍著磁場旋轉，使電子的軌道沿途產生強烈的等離子，令濺射都集中到這一部分從而使速度上升10?100倍。放電電壓數為數百V左右，氬氣壓力為10-1Pa左右就能鍍膜，也可以使用高周波。這種磁電管陰極的發明，使其用途得到飛躍的擴大，目前使用的濺射技術普遍都是利用到磁電管陰極。

3.離子光束濺射（Ion Beam Sputtering）

如圖4.9所示，離子槍的氣體離子照射到靶材上濺射。鍍膜室內無需發生放電，因此能在高真空中鍍膜。且膜質高，是可靠的鍍膜方法。

4. ECR濺射（ECR Sputtering）

2.4GHz的微波、8.75×10-2T的磁場造就了電子回旋加速共鳴的條件，使其發生強烈放電。等離子和基板之間放置靶材，通過負偏壓能產生濺射。

5. 反應性濺射（Reactive Sputtering）

濺射是利用氬氣等不活性氣體離子切削薄膜材料（靶材）而使其氣化。氣體離子持有正電荷，薄膜材料為誘電體（絕緣物）時，直流濺射中電荷集中到靶材表面導致濺射停止。因此，鍍制誘電體膜時，會使用以下方法。

① 使用高周波濺射。

②使用有導電性的金屬靶材，導入氬氣等其他反應性氣體，使其發生反應得到誘電體膜。

可是無論是哪一種情況，鍍膜速度也不如理想，在誘電體材料為主題的光學薄膜生產現場沒能廣泛應用。

最近開發出的新構思的反應性濺射實現了誘電體膜的高速鍍膜。這種方法的設備構成例16）如圖4.10所示。

濺射工程和反應工程分離，能各自控制是這種設備的特征。圖中的4為靶材，使用金屬、氬氣產生直流濺射。圖中的1為氧化源，經過特別設計讓被導入這個部分的氧氣難以接觸到靶材部分。

A. 濺射工程

基板旋轉到靶材對面位置時，能鍍出非常薄的金屬膜。

B. 反應工程

基板到達氧化源的對面位置時，金屬膜會反應成為氧化膜。

通過重復這2個階段的工程可以得到合符膜厚要求的氧化膜。一次的鍍膜工程得到的膜厚為單原子層程度，但基板支架以100rpm速度旋轉，因此可實現高速成膜。

這個方法只需調整投入到靶材和氧化源的電力，不但可以鍍出完全的氧化膜，不完全的氧化膜也可以制成。而且，圖4.10的設備總靶材設成2臺，能同時使用兩種不同的金屬靶材，只需調整各自的濺射電力便能控制鍍出的膜的曲折率。運用這個方法，可使以往難以實現的曲折率的層次、傾斜曲折率的膜能鍍制，并大大提升了膜設計的自由度。另外，等離子源、離子源也可以利用于反應源，只是上述例子使用了反應性高的激進氧化源。反應氣體也不限于氧氣，氮化膜、炭化膜等也可以應用。