[!] PVD 物理氣相沉積技術介紹：從基礎原理到 高階光電應用的 關鍵製程 | JOURNALs by C&T中泰

在薄膜工程的世界中，一片高品質的薄膜產品，往往不是單一材料的成果，而是基材與表面沉積層共同作用的結果。基材決定了機械支撐、透光性與加工適應性，而表面沉積層則賦予其光學、電氣或阻隔等關鍵功能。PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積） 正是實現這類高精度表面沉積的核心技術之一，也是現代顯示、光電、半導體與能源產業不可或缺的製程基礎。

什麼是 PVD

PVD 是一種以純物理方式在基材表面形成薄膜的沉積技術，其核心特徵在於整個成膜過程不涉及化學反應，而是透過材料的相變化來實現原子級的堆疊。從概念上可以類比於日常煮水的現象：液態水受熱氣化為水蒸氣，遇冷凝結為水珠——PVD 的沉積過程本質上就是這樣的物理變化，只是發生在受控的高真空環境中，並以固態靶材作為起點。

由於整個製程在真空環境下進行，避免了外界雜質與化學殘留物的干擾，因此 PVD 所沉積的薄膜通常具備極高的純度與結構緻密性，這也是它在高階應用中被廣泛採用的根本原因。

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PVD製程 三大類型

1. 蒸鍍(Evaporation)：透過加熱使固態靶材直接氣化為原子或分子蒸氣， 這些氣化粒子在真空環境中飛行並沉積於基材表面形成薄膜。 蒸鍍製程結構相對簡單，適合對薄膜結構精度要求較為寬鬆的應用。
   

2. 濺鍍(Sputtering)：則是目前應用最為廣泛的 PVD 技術。 製程在真空腔體中注入惰性氣體（如氬氣 透過電漿使氣體離子加速 並轟擊靶材，靶材表面的原子在離子動量傳遞下脫離並沉積至 基材表面。相較於蒸鍍，濺鍍所形成的薄膜具備更佳的附著性、 更均勻的厚度分布，以及對複雜材料組成的更高相容性。
   

3. 離子鍍(Ion Plating)：離子束濺鍍與電漿濺鍍同樣都是利用經加速的高速離子轟擊靶材， 透過動量轉移讓靶材原子或分子脫離並沉積到基板上。不同之處 在於，離子束濺鍍的惰性氣體電離與離子加速皆在獨立的離子源中 完成，因此能在更高真空環境下操作。 其濺鍍出的薄膜具備高度有序、緻密的結構 與 散射現象極低， 適用於高階光學的應用。

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PVD製程 流程步驟

PVD 製程雖依技術路線不同而有細節差異，但整體流程大致依循以下階段：基材安裝 → 真空抽氣與升溫 → 表面前處理與蝕刻 → 薄膜沉積 → 降溫與洩壓 → 基材取出。其中表面前處理階段的目的在於清除基材表面殘留污染物並提升沉積層附著性，這也是為什麼基材本身的表面平整度在製程開始前就已經對最終薄膜品質產生決定性影響。

(A. Baptista, Francisco Silva, Jacobo Porteiro, José Míguez, 2018)

1. 基材安裝（SUBSTRATES ON HOLDERS）將基板放置在治具或載台上， 準備進入製程。
   

2. 升溫 階段（RAMP UP STAGE） 包含 真空抽氣（Vacuum Pumping）、加熱（Heating）

   
   

3. 表面前處理與蝕刻 階段（SURFACE PRE-TREATMENT & ETCHING） 包含 清除基材表面殘留污染物，確保後續鍍膜品質。 並對基材表面進行蝕刻，以提升薄膜附著性。

   
   

4. 薄膜沉積 階段（Deposition） 製程正式進入主步驟，靶材以物理方式沉積到基材表面，逐漸形成一層均勻薄膜。

   
   

5. 降溫階段（RAMP DOWN STAGE）

   包含 冷卻（Cooling）、洩壓（Venting）、機台卸載（Unloading Machine）

   
   

6. 取出鍍膜後基材 最後階段（COATED SUBSTRATE REMOTION） 將完成鍍膜的基材取出，製程結束。

PVD製程 靶材種類

靶材 (Target) 是薄膜濺鍍製程中的關鍵材料，通常由高純度化合物或純金屬製成，純度要求至少 達到99.99%。這些靶材是中的重要鍍膜材料。靶材種類非常多種，依照 化學成份 可分為 金屬靶材、合金靶材、化合物靶材，不同類型靶材因成分組成、特性差異，適用於各式應用領域；

靶材類型	常見材料	典型應用
金屬靶材	鋁（Al）、銀（Ag）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鈦（Ti）	反射鏡、金屬鍍膜、導電層
化合物靶材	二氧化矽（SiO₂）、氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鈦（TiO₂）、氧化鋅（ZnO）	光學薄膜、濾光片、阻隔層、半導體元件
合金靶材	各類金屬合金組合	需要特定電氣或機械性能的功能層

其中，SiO₂、Al₂O₃ 等氧化物化合物在高階光電應用中扮演特別關鍵的角色，這與後段將討論的超高阻隔需求直接相關。

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PVD 製程優勢

PVD（Physical Vapor Deposition）在光學、半導體與工業中廣泛應用，其核心優點如下：

• 高純度低汙染：真空環境避免雜質汙染，物件純度可達 99.99% 高純度。

• 低製程溫度：相較 CVD 製程, PVD 可在較低溫條件下進行 適用於聚合物、玻璃 等較不耐高溫之基材。

• 適用範圍廣：PVD 技術可廣泛應用於多種材料，所使用的靶材涵蓋金屬、氧化物及 氮化物等，可滿足各類薄膜製程與應用需求。

• 環境友好：相較CVD製程，無化學殘留物 對環境友善。

• 附著性良好：濺鍍可藉由電漿的離子高能轟擊靶材，使原子脫離並附著於基板， 具備良好的附著性與均勻性

PVD（物理氣相沉積）技術經過長時間的發展，已由單一物理蒸發延伸出多元的製程路線， 整體可歸納為蒸鍍、濺鍍與離子鍍三大類型。三者皆是在高真空環境中，透過物理方式實現高品質薄膜的沉積。在實際應用中 PVD製程的表現不僅取決於設備與製程參數，基材本身的特性同樣扮演關鍵角色，例如 表面平整度 與 機械物性 都會直接影響最終鍍膜品質。因此選用適合的基材材料是確保性能的重要一環。 針對此需求 C&T中泰提供可應用於PVD製程的 高性能PET薄膜 與 HARDCOAT，具備優異機械物性與高表面平整度，有利於表面加工 降低成品不良率。透過PVD技術與高品質材料的整合，得以全面提升薄膜性能，滿足光學與電子等高階應用的需求。

Refernces:

1. 國家實驗研究會, 物理氣相沈積PVD -電子束蒸鍍（E-beam）

   https://www.niar.org.tw/xcscience/cont?xsmsid=0I148638629329404252&sid=0K26757892721356513

2. A. Baptista, Francisco Silva, Jacobo Porteiro, José Míguez, Sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) Coatings: A Critical Review on Process Improvement and Market Trend Demands, 2018-11 https://www.researchgate.net/publication/328948644_Sputtering_Physical_Vapour_Deposition_PVD_Coatings_A_Critical_Revie w_on_Process_Improvement_and_Market_Trend_Demands

3. 吳國豪, 國立高雄師範大學 物理學系 學術組, 學術期刊 第009期, 2008-12 https://phy.nknu.edu.tw/content/time%26space/9th.pdf?utm_source=chatgpt.com

4. Chuen-Lin, TienSpecial Issue Advanced Coating Technology by Physical Vapor Deposition and Applications, 2023-02-18 https://www.mdpi.com/2079-6412/13/2/467