跟化學氣相沉積方法不同的是，物理氣相沉積有獨有的優(yōu)越性,，它對沉積材料和基片材料進沒有限制,。
物理氣相沉積過程可概括為三個階段：① 從源材料中發(fā)射出粒子,；② 從粒子輸運到基片,；③ 粒子在基片上凝結,、成核,、長大,、成膜,。
一,、真空蒸發(fā)
1、真空蒸發(fā)沉積的物理原理
真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡單便利,、操作容易,、成膜速度快,、效率高等特點，在真空蒸發(fā)技術中,，人們只需要產生一個真空環(huán)境,，在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量與獲得蒸發(fā)所必須的蒸氣壓,，在適當的溫度下,，蒸發(fā)粒子在基片上凝結，這樣就可實現真空蒸發(fā)薄膜沉積,。
大量材料皆可以在真空中蒸發(fā),，最終在基片上凝結以形成薄膜，真空蒸發(fā)沉積過程由三個步驟組成：
① 蒸發(fā)源材料由凝聚相轉變成氣相,；② 在蒸發(fā)源于基片之間蒸發(fā)粒子的輸運,；③ 蒸發(fā)粒子到達基片后凝結、成核,、長大,、成膜。
2,、真空蒸發(fā)技術
真空蒸發(fā)系統(tǒng)一般由三個部分組成：① 真空室,；② 蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱裝置；③ 放置基片及給基片加熱裝置,。
在真空中為了蒸發(fā)那個待沉積的材料,，需要容器來支撐或盛裝蒸發(fā)物，同時需要提供蒸發(fā)熱使蒸發(fā)物達到足夠高的溫度以產生所需的蒸氣壓,，在一定溫度下,，蒸發(fā)氣體與凝聚相平衡過程中所呈現的壓力陳偉該物質的飽和蒸氣壓。
重要的蒸發(fā)方法有電阻加熱蒸發(fā),、閃爍蒸發(fā),、電子束蒸發(fā)、激光熔融蒸發(fā),、弧光蒸發(fā),、射頻加熱蒸發(fā)等。
二,、濺射
在某一溫度下,，如果固體或液體受到適當的高能粒子（通常為離子）的轟擊，則固體或液體中的原子通過碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸,，這一將原子從表面發(fā)射出去的方式稱為濺射,。
1、濺射的基本原理：
濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體（稱為靶）表面使其中的原子發(fā)射出來，早期人們認為這一現象源于靶材的局部加熱,，但是,，不久人們發(fā)現濺射與蒸發(fā)有本質區(qū)別，并逐漸認識到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動量傳遞的結果,。
2,、濺射鍍膜的特點
相對于真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜具有如下特點：（1）對于任何待鍍材料,，只要能作成靶材,，就可以實現濺射；（2）濺射所獲得的薄膜與基片結合較好,；（3）濺射所獲得的薄膜純度高,，致密性好；（4）濺射工藝可重復性好,，膜厚可控制,，同時可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。濺射存在的缺點是,，相對于真空蒸發(fā)，它的沉積速率低,，基片會受到等離子體的輻照等作用而產生溫升,。
3、濺射參數
表征濺射特性的主要參數有濺射閾值,、濺射率,、濺射粒子的速度和能量等。濺射閾值是指將靶材原子濺射出來所需的入射粒子最小能量值,。濺射率又稱濺射產額或濺射系數,，是描述濺射特性的一個重要參數，它表示入射正離子轟擊靶陰極時,，平均每個正離子能從靶陰極中打出的原子數,。濺射原子所具有的能量和速度也是濺射的重要參數，在濺射過程中,，濺射原子所獲得能量比熱蒸發(fā)原子能量大1~2和數量級,，能量值在1~10eV之間。濺射原子所獲得的能量與靶材,、入射離子的種類,、能量等因素有關。
4,、濺射裝置
濺射裝置種類繁多,，因電極不同可分為二極、三極,、四極,、磁控濺射,、射頻濺射等。直流濺射系統(tǒng)一般只能用于靶材為良導體的濺射,，而射頻濺射則適用于絕緣體,、導體、半導體等任何一類靶材的濺射,。磁控濺射是通過施加磁場改變電子的運動方向,，并束縛和延長電子的運動軌跡，進而提高電子對工作氣體的電離效率和濺射沉積率,，磁控濺射具有沉積溫度低,、沉積速率高兩大特點。一般通過濺射方法所獲得薄膜材料與靶材屬于同一物質,，但也有一種濺射方法,，其濺射所獲得的薄膜材料與靶材不同，這種方法稱為反應濺射法,，即在濺射鍍膜時,，引入的某一種放電氣體與濺射出來的靶原子發(fā)生化學反應而形成新物質。
① 輝光放電直流濺射：在種類繁多的濺射系統(tǒng)中,，最簡單的系統(tǒng)莫過于輝光放電直流濺射系統(tǒng),，如圖1所示，盤狀的帶毒靶材連接到電源的陰極,，與靶相對的基片則連接到電源的陽極,，通過電極加上1~5kV的直流電壓，充入到真空室的中性氣體如氬氣（分壓在1.3~13Pa）便會開始輝光放電,。當輝光放電開始,，正離子就會打擊靶盤，是靶材表面的中性原子逸出,，這些中性原子最終會在基片上凝結形成薄膜,。同時在離子轟擊靶材時也有大量電子（二次電子）從陰極靶發(fā)射出來，他們被加速并跑向基片表面,。
圖1 輝光放電直流濺射系統(tǒng)
1- 陰極（靶）,；2-基片；3-陽極,；4-真空室,；5-接真空泵；6-進氣口
② 三極濺射：三極濺射涉及到將一個獨立的電子源中的電子注入到放電系統(tǒng)中,，這個獨立的電子源就是熱陰極,，他通過熱離子輻射形式發(fā)射電子。熱離子陰極通常是一加熱的鎢絲，它可以承受長時間的離子轟擊,。
③ 射頻濺射：在通常的直流濺射系統(tǒng)中,，如果金屬靶換成絕緣靶，則在離子轟擊過程中,，正電荷便會累積在絕緣體的前表面,，用離子束和電子束同時轟擊絕緣體，可以防止這種電荷累積現象的出現,。但Anderson等人則設計了沉積絕緣體的濺射系統(tǒng),，隨后Davidse和Maissel將這種設計研制成一種實用系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中,，射頻電勢加載位于絕緣靶下面的金屬電極上,。在射頻電勢的作用下，在交變電場中振蕩的電子具有足夠高的能量產生離化碰撞,，從而使放電達到自持,。
④ 磁控濺射：自從20世紀70年代早期磁控濺射技術誕生以來，磁控濺射技術在高速率沉積金屬,、半導體和介電薄膜方面已取得了巨大進步,，與傳統(tǒng)的耳機濺射相比，磁控濺射除了可以在較低工作壓強下得到較高的沉積率以外,，它也可以在較低基片溫度下獲得高質量薄膜,。
⑤ 離子束濺射：濺射放電系統(tǒng)的一個主要缺點是工作壓強較高，由此導致濺射膜中有氣體分子的進入,，在離子束濺射沉積中，在離子源中產生的離子束通過引出電壓被引入到真空室,，爾后直接打到靶上并將靶材原子濺射出來,，最終沉積在附近的基片上。如圖2 ,。
圖2
1- 離子源,；2-導出電極；3-基片,；4-靶
相對于傳統(tǒng)濺射,，離子束濺射的優(yōu)點有：1. 離子束窄能量分布是我們能將濺射率作為離子能量的函數來研究；2. 可以使離子束精確聚焦和掃描,；3. 在保持離子束特性不變的情況下,，可以變換靶材和基片材料；4. 可以獨立控制離子束能量和電流,。
⑥ 交流濺射：Takeuchi等人應用簡單的交流濺射系統(tǒng)制備了Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO）超導膜,，其交流濺射系統(tǒng)示意圖見圖3，同時也作為電極的一對盤狀靶，通過位于石英管反應器中心處的水平Cu插棒得到支撐,，Y-Sr-Zr基片放在石英管的底部,，聚焦紅外燈用于加熱基片（可達850℃）。
圖3 交流濺射系統(tǒng)示意圖
1- Cu棒,；2-靶,；3-低壓Hg燈；4-石英管,；5-入氣口,；6-基片；7-紅外燈,；8-接真空泵
⑦ 反應濺射：在存在反應氣體的情況下,，濺射靶材時，靶材料會與反應氣體反應形成化合物（如氧化物或氮化物）,，這樣的濺射我們稱之為反應濺射,。在惰性氣體濺射化合物靶材時由于化學不穩(wěn)定性往往導致薄膜較靶材少一個或更多組分，此時如果加上反應氣體可以補償所缺少的組分,，這種濺射也可視為反應濺射,。
三、離子束和離子助
應用與離子相關的技術制備薄膜已有20多年的歷史,，大量技術如離子鍍,、離子束濺射、離子束沉積先后被研制開發(fā)出來,，這些沉積技術通過增加離子動能或通過離化提高化學活性使所獲得的薄膜具有如下優(yōu)點：與基片結合良好,；在低溫下可實現外延生長；形貌可改變,；可合成化合物等,。
1. 離子鍍：離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化,，產生離子轟擊效應,，最終將蒸發(fā)物或反應物沉積在基片上。
2. 陰極電弧等離子體沉積：陰極電弧等離子體沉積是相對較新的一種薄膜沉積技術,，它在許多方面類似于離子鍍技術,。陰極電弧蒸發(fā)沉積薄膜的有點主要是：在發(fā)射的粒子流中離化率高，而且這些離化的離子具有較高的動能（40~100eV）,。
3. 熱空陰極槍蒸發(fā)：熱空陰極槍蒸發(fā)式產生電弧的設備,，通過收集電子形成電子束而作為加熱源。這一設備用于沉積各種金屬涂層,。
4. 共離子轟擊沉積：在沉積前,，一分離的氣體離子源可以用于濺射清洗基片,，而且它也可以用于沉積過程中可控方式轟擊膜，由此可以得到高黏附力膜,。Hoffman和Gaorttner共離子轟擊沉積了金屬膜,，并研究了由共離子轟擊所引起的膜性質的變化。他們使用分離的惰性氣體離子源在凝聚過程中同時轟擊基片,。惰性氣體離子和蒸發(fā)粒子流可被獨立控制,。
5. 非平衡磁控離子助沉積：Window和Savvides研制了一種新型的平面式沉積源，這種源能在沉積離子中給出一束分立的離子束（強度可獨立于沉積過程而改變）,。這種離子源可以更方便的用于離子束助沉積,，而又不同于使用分立沉積離子源和轟擊離子源技術。產生的離子流是非平衡磁控裝置的直接結果,。
6. 離子束沉積：離子束有兩種基本組態(tài)用于沉積薄膜,，在直接離子束沉積（IBD）中，離子束在低能（≈100eV）情況下直接沉積到基片上,，離子束沉積的簡單基本原理見圖4,，在離子束濺射沉積過程中，高能離子束直接打向靶材,，將后者濺射并沉積到相鄰的基片上,。
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圖4 離子束沉積的簡單原理示意圖
1- 離子源；2-離子提取器,；3-基片,；4-離子束
四、外延膜沉積技術
外延是指沉積膜與基片之間存在結晶學關系時,，在基片上取向或單晶生長同一物質的方法,，當外延膜在同一種材料上生長時，稱為同質外延,，如果外延是在不同材料上生長則稱為異質外延,。外延用于生長元素、半導體化合物和合金薄結晶層,。
1. 分子束外延（MBE）：分子束外延是在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強度，并使其在加熱的基片上進行外延生長的一種技術,，從本質上講,，分子束外延也屬于真空蒸發(fā)方法，但與傳統(tǒng)真空蒸發(fā)不同的是,，分子束外延系統(tǒng)具有超高真空,，并配有原位監(jiān)測和分析系統(tǒng)，能夠獲得高質量的單晶薄膜,。
2. 液相外延生長：液相外延生長為制備高純半導體化合物和合金提供了快速而又簡單的方法,。確實,，由液相外延生長獲得的膜的質量優(yōu)于氣相外延或分子束外延所得到的最好膜的質量。液相外延生長原則上講是從液相中生長膜,，溶有待鍍材料的溶劑是液相外延生長中必需的,，當冷卻時，待鍍材料從溶液中析出并在相關的基片上生長,。對于液相外延生長制備薄膜,，溶液和基片在系統(tǒng)中保持分離。在適當的生長溫度下,，溶液因含有待鍍材料而達到飽和狀態(tài),，然后將溶液與基片的表面接觸，并以適當的速度冷卻,，一段時間后即可獲得所要的薄膜,，而且，在膜中也很容易引入摻雜物,。
3. 熱壁外延生長：熱壁外延是一種真空沉積技術,，在這一技術中外延膜幾乎在接近熱平衡條件下生長，這一生長過程是通過加熱源材料與基片材料間的容器壁來實現的,。
4. 有機金屬化學氣相沉積：有機金屬化學氣相沉積是采用加熱方式將化合物分解而進行外延生長半導體化合物的方法,。作為含有化合物半導體組分的原料，化合物有一定的要求：①在常溫下較穩(wěn)定而且較易處理,；②反應的副產物不應阻礙外延生長,，不應污染生長層；③在室溫下應具有適當的蒸氣壓（≥133Pa）,。
有機金屬化學氣相沉積法的最大特點是它可對多種化合物半導體進行外延生長,，與其他外延生長法如液相外延生長、氣相外延生長相比,，有機金屬化學氣相沉積有以下特點：① 反應裝置較為簡單,，生長溫度范圍較寬；② 可對化合物的組分進行精確控制,，膜的均勻性和膜的電學性質重復性好,；③ 原料氣體不會對生長膜產生蝕刻作用，因此,，在沿膜生長方向上,，可實現摻雜濃度的明顯變化；④ 只通過改變原材料即可生長出各種成分的化合物,。
有機金屬化學氣相沉積法的缺點是：所用的有機金屬原料一般具有自燃性,，AsH3等V族原料氣體，VI族原料氣體具有劇毒,。
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