薄膜沉积技术是微电子、光电子、能源及先进制造领域的核心工艺，其核心目标是在基底表面可控地构筑纳米至微米级功能薄膜。
一、物理气相沉积（PVD）的物理机制与工艺创新
1. 溅射技术（Sputtering）的物理基础
溅射产额（Sputtering Yield）：
离子轰击靶材时，溅射产额 Y 由公式 Y(E,θ)=Y0⋅(EE0)α⋅cosβθ 描述，其中 E 为入射离子能量，θ 为入射角，Y0 为材料依赖常数（如Ar⁺轰击Al靶，Y0≈1.2 @ 500 eV）。
磁控溅射优化：
磁场强度（~100–500 Gauss）与靶材设计（如旋转靶、中空阴极）可将沉积速率提升至>100 nm/min（Journal of Vacuum Science & Technology A, 2022）。
2. 蒸镀技术的极限突破
电子束蒸镀（E-Beam Evaporation）：
高能电子束（加速电压~10 kV）聚焦于靶材局部，实现难熔金属（如W，熔点3422°C）的蒸发，膜厚均匀性达±3%（Thin Solid Films, 2023）。
分子束外延（MBE）：
超高真空（<10⁻¹⁰ Torr）下原子级控制生长，用于量子点（InAs/GaAs）及拓扑绝缘体（Bi₂Te₃）的原子级平滑界面（粗糙度<0.1 nm，Nature Materials, 2021）。
3. 新兴PVD技术
高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）：
脉冲峰值功率密度>1 kW/cm²，离化率>90%，制备的TiAlN涂层硬度>40 GPa（Surface and Coatings Technology, 2023）。
离子镀（Ion Plating）：
基底偏压（-50至-500 V）诱导离子轰击，改善薄膜致密度（孔隙率<0.1%）与附着力（临界载荷>50 N，Materials & Design, 2022）。
二、化学气相沉积（CVD）的反应动力学与材料工程
1. CVD反应路径的量化模型
热力学模拟：
基于密度泛函理论（DFT）计算MoS₂生长中MoO₃与S₂的吸附能（E_ads ≈ -2.5 eV）及反应能垒（E_a ≈ 1.8 eV，ACS Nano, 2023）。
表面反应动力学：
硫族化反应速率常数 k=A⋅e−Ea/(RT)，其中指前因子 A 与表面活性位点密度相关（Journal of Physical Chemistry C, 2022）。
2. 先进CVD技术分类
技术类型核心特征典型应用
MOCVD 金属有机前驱体（如TMGa、NH₃）生长GaN LED外延片（波长均匀性<1 nm）
HWCVD（热丝CVD） 热丝（~2000°C）分解前驱体，低温沉积金刚石 刀具涂层（摩擦系数<0.1）
LPCVD 低压（0.1–10 Torr）下沉积多晶硅 MEMS结构（应力<100 MPa）
3. CVD缺陷控制策略
原位掺杂：NH₃退火修复WS₂硫空位，载流子迁移率提升至>200 cm²/(V·s)（Advanced Functional Materials, 2023）。
梯度沉积：调节H₂/Ar比例控制MoS₂层间堆垛方式（2H vs. 3R相），实现能带工程（Nature Communications, 2022）。
