CVD与PVD薄膜沉积设备特点及应用领域对比分析

薄膜沉积技术是半导体、光伏等行业发展的关键工艺。薄膜沉积技术是指将在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基体材料表面沉积以获得离层被膜的技术。它既适合于制备超硬、耐蚀、耐热、抗氧化的机械薄膜，又适合于制备磁记录，信息存储、光敏、热敏、超导、光电转换等功能薄膜；此外，还可用于制备装饰性镀膜。近20年来，薄膜沉积技术得到了飞速发展，现已被广泛应用于机械、电子、装饰等领域。薄膜沉积技术根据成膜机理的不同，主要分为物理、化学、外延三大工艺。

● CVD设备种类繁多，当前PECVD为主流技术，未来有望进一步提升。CVD是指利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程，是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。CVD镀膜重复性和台阶覆盖性较好，可用于SiO2、Si3N4、PSG、BPSG、TEOS等介质薄膜，以及半导体、金属（W）、各类金属有机化合物薄膜沉积。CVD种类繁多，根据腔室压力、外部能量等不同，可大致分为 APCVD、LPCVD、SACVD、 PECVD、MOCVD等类别。CVD设备反应源容易获得、镀膜成分多样、设备相对简单、特别适用于在形状复杂的零件表面和内孔镀膜。

● PVD设备沉积速度快、沉积温度低、物理手段对环境友好、更适应硬质合金精密复杂刀具的涂层。PVD是指在真空条件下利用高温蒸发或高能粒子等物理方法轰击靶材，使靶材表面原子“蒸发"并沉积在衬底表面，沉积速率高，一般适用于各类金属、非金属、化合物膜层的平面沉积。按照沉积时物理机制的差别，物理气相沉积一般分为真空蒸发镀膜技术、真空溅射镀膜、离子镀膜和分子束外延等。近年来，薄膜技术和薄膜材料的发展突飞猛进、成果显著，在原有基础上，相继出现了离子束增强沉积技术、电火花沉积技术、电子束物理气相沉积技术和多层喷射沉积技术等。

● 半导体制程精进&光伏新技术推进，国产薄膜沉积设备迎来发展契机。观研报告网数据显示，薄膜沉积设备市场规模将从2019年的155亿美元增长到2025年的340亿美元，2019-2025年预计复合增长率近14%。根据观研报告网2019年数据显示，PECVD设备在总设备中为33%、溅射PVD为19%、ALD和管式CVD均为11%；SACVD是较新兴的设备类型，属其他薄膜沉积设备类目下，占比较小。整体而言，PECVD正成为化学气相沉积的主流技术，未来水平有望进一步提升。

薄膜沉积技术是指将在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基体材料表面沉积以获得离层被膜的技术。它既适合于制备超硬、耐蚀、耐热、抗氧化的机械薄膜，又适合于制备磁记录，信息存储、光敏、热敏、超导、光电转换等功能薄膜；此外，还可用于制备装饰性镀膜。近20年来，薄膜沉积技术得到了飞速发展，现已被广泛应用于机械、电子、装饰等领域。

薄膜沉积技术根据成膜机理的不同，主要分为物理、化学、外延三大工艺。①物理气相沉积：利用热蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等物理过程，实现物质原子从源物质到衬底材料表面的转移；②化学气相沉积：通过混合化学气体发生化学反应，在衬底表面沉积薄膜，较PVD台阶覆盖率更好、沉积温度更低、薄膜成分和厚度更容易控制；③外延工艺：在晶片等单晶衬底上按照单晶衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程。

 1 化学气相沉积（CVD）

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition 简称CVD) 是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程。化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。

化学气相沉积过程分为三个重要阶段：反应气体向基体表面扩散、反应气体吸附于基体表面、在基体表面上发生化学反应形成固态沉积物及产生的气相副产物脱离基体表面。见的化学气相沉积反应有:热分解反应、化学合成反应和化学传输反应等。

化学气相沉积（CVD）特点：

（1）沉积物种类多: 可以沉积金属薄膜、非金属薄膜，也可以按要求制备多组分合金的薄膜，以及陶瓷或化合物层；（2）CVD反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔都能均匀镀覆；（3）能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层；（4）由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，由此可以得到纯度高、结晶的膜层，这是有些半导体膜层所必须的；（5）利用调节沉积的参数，可以有效地控制覆层的化学成分、形貌、晶体结构和晶粒度等；（6）设备简单、操作维修方便；（7）反应温度太高，一般要850-1100℃下进行，许多基体材料都耐受不住CVD的高温。采用等离子或激光辅助技术可以降低沉积温度。

CVD设备种类及其特点

化学气相沉积的方法很多，如常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、激光诱导化学气相沉积(LCVD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，等离子体化学气相沉积（PECVD）等。

❶ 低压化学气相沉积（Low pressure CVD，LPCVD）

低压化学气相沉积法(LPCVD)的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作压力，降低到大约133Pa以下的一种CVD反应。

LPCVD设备特点：LPCVD低压高热环境提高了反应室内气体扩散系数和平均自由程，极大提高了薄膜均匀性、电阻率均匀性和沟槽覆盖填充能力。另外低压环境下气体物质传输速率较快，衬底扩散出的杂质和反应副产物可迅速通过边界层被带出反应区，反应气体则可迅速通过边界层到达衬底表面进行反应，因此在有效抑制自掺杂同时还可提高生产效率。再者LPCVD并不需要载子气体，因此大大降低了颗粒污染源，被广泛地应用在高附加价值的半导体产业中，用作薄膜的沉积。

LPCVD设备新的研发方向：低应力、多功能。对于很多微机械加工的常用材料，如氮化硅、多晶硅等，应力是不可避免的，在一些精密的MEMS工艺中需要较低的薄膜应力，以保证较小的器件形变。

（1）通过独特的气路、腔体结构设计，配合相应的工艺配方，成功实现了薄膜应力在较大范围内可控制，解决了由于薄膜应力存在，引起的变形、光学和力学性能改变的问题。

（2）满足客户对TEOS低压热解法工艺需求，对不同成膜速率多晶硅工艺需求并保证成膜均匀性和硅片翘曲度要求。

（3）多功能LPCVD设备与传统方式对比具有独特的技术，包括良好的薄膜工艺均匀性和重复性、独特的过滤系统保证腔室和器件具有良好的洁净度并易于维护、的颗粒控制技术、高精度温度场控制及良好的温度重复性、完整的工厂自动化接口、高速的数据采集算法等，同时具有丰富行业经验和成熟的配套工艺可满足客户对LPCVD设备需求。

主要出售的厂商国内有合肥科晶、Tokyo Electron、北方华创等。

❷等离子体化学气相沉积（Plasma enhanced CVD，PECVD）

PECVD是在等离子体过程中，气态前驱物在等离子体作用下发生离子化，形成激发态的活性基团，这些活性基团通过扩散到达衬底表面，进而发生化学反应，完成薄膜生长。

PECVD设备的性能指标主要包括：生长薄膜的均匀性，致密性，以及设备产能。要保证生长薄膜的质量，除了要保证设备的稳定性外，还必须掌握和精通其工艺原理及影响薄膜质量的各种因素，影响PECVD工艺质量的因素主要有以下几个方面：（1）极板间距和反应室尺寸。起辉电压：间距的选择应使起辉电压尽量低，以降低等离子电位，减少对衬底的损伤。极板间距和腔体气压：极板间距较大时，对衬底的损伤较小，但间距不宜过大，否则会加重电场的边缘效应，影响淀积的均匀性。反应腔体的尺寸可以增加生产率，但是也会对厚度的均匀性产生影响。（2）射频电源的工作频率。射频PECVD通常采用50kHz-13.56MHz频段射频电源，频率高，等离子体中离子的轰击作用强，淀积的薄膜更加致密，但对衬底的损伤也比较大。高频淀积的薄膜，其均匀性明显好于低频，这时因为当射频电源频率较低时，靠近极板边缘的电场较弱，其淀积速度会低于极板中心区域，而频率高时则边缘和中心区域的差别会变小。（3）射频功率。射频的功率越大离子的轰击能量就越大，有利于淀积膜质量的改善。因为功率的增加会增强气体中自由基的浓度，使淀积速率随功率直线上升，当功率增加到一定程度，反应气体电离，自由基达到饱和，淀积速率则趋于稳定。（4）气压。形成等离子体时，气体压力过大，单位内的反应气体增加，因此速率增大，但同时气压过高，平均自由程减少，不利于淀积膜对台阶的覆盖。气压太低会影响薄膜的淀积机理，导致薄膜的致密度下降，容易形成针状态缺陷；气压过高时，等离子体的聚合反应明显增强，导致生长网络规则度下降，缺陷也会增加。（5）衬底温度。衬底温度对薄膜质量的影响主要在于局域态密度、电子迁移率以及膜的光学性能，衬底温度的提高有利于薄膜表面悬挂键的补偿，使薄膜的缺陷密度下降。衬底温度对淀积速率的影响小，但对薄膜的质量影响很大。温度越高，淀积膜的致密性越大，高温增强了表面反应，改善了膜的成分。

高产能管式PECVD市场需求强劲。晶硅电池市场上对高产能管式PECVD设备的需求量巨大且迫切，高产能管式PECVD顺势产生。它即将为晶硅电池制造商降低综合成本起到重要作用，为晶硅电池太阳能电池的更快发展创造更大的内生动力。

高产能管式PECVD设备，单台设备可容纳5个工艺管，单管产能已达到400片，几乎不需增加工艺时间，能适用于156-162mm规格的硅片，单台产能可满足110MW以上的生产线，成膜均匀性良好。

主要出售的厂商有Oxford Instruments（牛津仪器）、Lam research（柯林研发）、Applied Materials（应用材料）、北方华创、沈阳拓荆等。

❸ 原子层化学气相沉积（ALCVD）

ALD是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。

原子层化学气相沉积的自限制性和互补性致使该技术对薄膜的成份和厚度具有出色的控制能力，所制备的薄膜保形性好、纯度高且均匀。成膜影响因素有：（1）ALD过程通常存在初始沉积和后续生长两个不同的沉积阶段，薄膜的生长模式分别表现为岛状生长和层状生长，其中初始沉积阶段对薄膜形态有着不可忽略的影响。（2）改变工艺条件结果表明薄膜的粗糙度受前驱体温度、反应室真空度、基片温度等多种因素的影响 。其中基片温度对初始沉积时间和生长速率的影响显著。在温度窗口内，基片温度越低，薄膜生长越缓慢，初始沉积时间越长，表面粗糙度增加；随着基片温度的升高，初始沉积过程越短暂，薄膜很快封闭，温度越高，生长速率越趋近于单分子层循环，表面粗糙度也越小。

主要出售的厂商有First Nano（德国韦氏纳米）、Applied Materials（应用材料）、Tokyo Electron（东京电子）等。

CVD设备主要应用领域

CVD设备应用领域广泛，在制备保护层、晶体薄膜、微电子材料层、光学材料等领域处于的地位。

 2 物理气相沉积（PVD）

物理气相沉积（PVD）指的是利用某种物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜的可控的原于转移过程。

PVD技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视，人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究。

物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，升华或被溅射，也就是通过镀料的气化源；(2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应；(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。

PVD设备种类及特点

按照沉积时物理机制的差别，物理气相沉积一般分为真空蒸发镀膜技术、真空溅射镀膜、离子镀膜和分子束外延等。近年来，薄膜技术和薄膜材料的发展突飞猛进、成果显著，在原有基础上，相继出现了离子束增强沉积技术、电火花沉积技术、电子束物理气相沉积技术和多层喷射沉积技术等。

❶ 真空蒸镀及溅射镀膜

真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，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，形成蒸汽流，入射到固体(称为衬底或基片)表面，凝结形成固态薄膜的方法。

溅射镀膜是指在真空条件下，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。溅射镀膜中的入射离子，一般采用辉光放电获得，在10-2Pa～10Pa范围，所以溅射出来的粒子在飞向基体过程中，易和真空室中的气体分子发生碰撞，使运动方向随机，沉积的膜易于均匀。发展起来的规模性磁控溅射镀膜，沉积速率较高，工艺重复性好，便于自动化，已适当于进行大型建筑装饰镀膜，及工业材料的功能性镀膜，及TGN-JR型用多弧或磁控溅射在卷材的泡沫塑料及纤维织物表面镀镍Ni及银Ag。

❷ 离子束增强沉积技术(IBED)

离子束增强沉积技术是一种将离子注入与薄膜沉积融为一体的材料表面改性新技术。它是指在气相沉积镀膜的同时，采用一定能量的离子束进行轰击混合，从而形成单质或化合物膜层。它除了保留离子注入的优点外，还可在较低的轰击能量下连续生长任意厚度的膜层，并能在室温或近室温下合成具有理想化学配比的化合物膜层(包括常温常压无法获得的新型膜层)。该技术具有工艺温度低(＜200℃)，对所有衬底结合力强，可在室温得到高温相、亚稳相及非晶态合金，化学组成便于控制，方便控制生长过程等优点。主要缺点是离子束具有直射性，因此处理形状复杂的表面比较困难。

❸ 电火花沉积技术(ESD)

电火花沉积技术是将电源存储的高能量电能，在金属电极(阳极)与金属母材(阴极)间瞬时高频释放，通过电极材料与母材间的空气电离，形成通道，使母材表面产生瞬时高温、高压微区。同时离子态的电极材料在微电场的作用下融渗到母材基体，形成冶金结合。电火花沉积工艺是介于焊接与喷溅或元素渗入之间的工艺，经过电火花沉积技术处理的金属沉积层具有较高硬度及较好的耐高温性、耐腐蚀性和耐磨性，而且设备简单、用途广泛、沉积层与基体的结合非常牢固，一般不会发生脱落，处理后工件不会退火或变形，沉积层厚度容易控制，操作方法容易掌握。主要缺点是缺少理论支持，操作尚未实现机械化和自动化。

❹ 电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)

电子束物理气相沉积技术是以高能密度的电子束直接加热蒸发材料，蒸发材料在较低温度下沉积在基体表面的技术。该技术具有沉积速率高(10kg/h～15kg/h的蒸发速率)、涂层致密、化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、无污染以及热效率高等优点。该技术的缺点是设备昂贵，加工成本高。目前，该技术已经成为各国研究的热点。

❺ 多层喷射沉积技术(MLSD)

传统的喷射沉积技术相比，多层喷射沉积的一个重要特点是可调节接收器系统和坩埚系统的运动，使沉积过程为匀速且轨迹不重复，从而得到平整的沉积表面。其主要特点是：沉积过程中的冷却速度比传统喷射沉积要高，冷却效果较好；可制备大尺寸工件，且冷却速度不受影响；工艺操作简单，易于制备尺寸精度较高、表面均匀平整的工件；液滴沉积率高；材料显微组织均匀细小，无明显界面反应，材料性能较好。

PVD设备主要应用领域

❶ 制备刀具、模具镀层

应用于模具和刀具中。通过沉积TiC镀层，可以有效延长模具的寿命；在高速钢刀具中沉积镀膜，可提高刀具的抗磨损性、抗粘屑性和刀具的切削速度，同时经镀膜的刀具还具有高硬度、高化学稳定性、高韧性、低摩擦系数等特点。

❷ 制备建筑装饰材料

因物理气相沉积技术具有沉积过程易于操作，膜层的成分易于控制，不存在废水、废气、废渣的污染等特点，目前，这一技术在建筑装饰中得到广泛应用。

❸ 制备特殊薄膜材料

雾化沉积技术可以显著地扩大合金元素固溶度，获得细小均匀的等轴晶组织，减小合金元素的宏观偏析，增加第二相的体积分数，细化第二相粒子，从而避免了传统冶金工艺中由于冷却速度低而导致的化学成分宏观偏析以及组织粗大等诸多弊端，可实现大尺寸快速凝固材料的一次成型，目前多应用于颗粒增强金属基复合材料的制备，如用雾化沉积技术制备MMCs等。另外，利用脉冲激光弧沉积技术制备类金刚石薄膜的方法国内已经开展了研究。

❹ 制备电学及医学薄膜

具有铁电性且厚度尺寸在数十纳米到数微米的铁电薄膜具有良好的介电、电光、声光、光折变、非线性光学和压电性能，主要被应用于随机存储器、电容器、红外探测器等领域，其制备方法主要有溅射法、脉冲激光沉积法等。羟基磷灰石(HA)属于磷酸盐无机非金属材料，它的化学成分和晶体结构与脊椎动物的骨及牙齿的矿物成分非常相近，且与生物组织有良好的相容性，目前在种植牙和人工骨等方面有着广泛的应用，羟基磷灰石薄膜同样可以采用物理气相沉积技术制备。

❺ 制备耐腐蚀涂层

通过PVD技术使腐蚀介质很难穿透涂层到达基底，使腐蚀介质与基底材料有效隔绝，达到抗腐蚀保护基底的目的。

 3 CVD和PVD设备对比分析 

 4 薄膜沉积设备市场空间和主要厂商 

从范围来看，薄膜沉积设备市场规模稳步增长。观研报告网数据显示，薄膜沉积设备市场规模将从2019年的155亿美元增长到2025年的340亿美元，2019-2025年预计复合增长率近14%。

不同制造工艺需要不同的薄膜沉积设备，具体包括PECVD、溅射PVD、ALD、LPCVD等。根据观研报告网2019年数据显示，PECVD设备在总设备中为33%、溅射PVD为19%、ALD和管式CVD均为11%；SACVD是较新兴的设备类型，属其他薄膜沉积设备类目下，占比较小。整体而言，PECVD正成为化学气相沉积的主流技术，未来水平有望进一步提升。

 5 风险提示 

1）光伏新增装机规模不及预期。如果未来国内外疫情反复，则可能会影响光伏新增装机需求，进而影响薄膜沉积设备的需求；

2）HJT、TOPcon等新型光伏技术推进不及预期。若HJT、TOPcon等新型光伏技术推进或降本提质不及预期，将会影响镀膜设备的市场需求；

3）半导体行业资本开支下滑风险。如果半导体行业的产能投资强度降低，可能会面临市场需求下降的情况，将会对薄膜沉积设备行业产生不利影响；

4）薄膜沉积设备国产化不及预期。目前多种型号的薄膜沉积设备尚处于研发和客户端验证，研发存在失败、验证存在一定的不确定性。倘若未来验证结果不及预期或不适合镀膜行业的发展需求，则可能对薄膜沉积行业产生不利影响。