说明：本文华算科技主要介绍物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）分别怎样把薄膜长在基底上，它们在成膜方式、覆盖能力、厚度精度和适用场景上有什么不同。
薄膜沉积，就是把材料一层层长在基底表面。按物质来源分成两大类：物理法靠把材料物理气化再沉积，化学法靠气相物质在表面发生化学反应成膜。
PVD属于物理法，CVD和ALD属于化学法，其中ALD可看作CVD的一种特殊形式。从手机屏幕的镀膜到芯片里的绝缘层，薄膜工艺几乎无处不在，而怎么把膜长好，主要看用哪种沉积路线。
三种方法的核心动作各不相同。PVD把固体源加热蒸发或用离子轰击溅射，变成气态原子，在真空里飞到基底凝结成膜；CVD让气态前驱体在加热基底表面分解、反应，生成固态膜和挥发副产物；ALD把CVD的反应分成两个自限制半反应，交替通入，一个循环长一个亚单层。
三种方法都从气相把原子送到基底，差别在于原子怎么来、怎么反应、怎么长：PVD是物理搬运，CVD是气相化学反应，ALD是自限制逐层。物质来源和反应方式一变，成膜行为就跟着变，膜的致密度、成分和覆盖也随之不同。
正是这些差别，决定了它们的覆盖能力、厚度精度、温度和速率都不一样。下面按PVD、CVD、ALD的顺序，逐一看它们各自的成膜特点，以及各自擅长和不擅长的场景。
PVD有两种主流方式：热蒸发把源材料加热到气化，磁控溅射用氩离子轰击靶材、把原子撞出来。无论哪种，出来的原子或离子都带着动能，在真空里沿直线飞向基底。真空环境保证原子不被空气分子撞散，能干净地到达基底。
因为粒子直线飞行，只有正对蒸发源或靶材的表面才镀得上，背对或侧壁被挡住，就形成阴影、镀不均匀。
这种依赖直线到达的特点，就是“视线沉积”，它让深孔侧壁和复杂形貌很难镀满。要在深槽或台阶上镀得均匀，常要靠转动基底或多方向沉积来补偿。
溅射膜常呈柱状生长，一根根柱子从基底往上长。粒子动能越高，膜越致密、附着越牢，织构也随之改变；动能太低则容易疏松多孔。膜的致密度，主要由入射粒子的能量决定。
PVD的长处是温度低、纯度高、速率快，适用平整基底上的功能膜和硬质涂层；它的短板正是台阶覆盖差，遇到高深宽比结构就力不从心。日常见到的刀具镀层、装饰膜和光学反射膜，不少是溅射或蒸发做出来的。
CVD 靠什么成膜？
CVD把前驱体气体送进反应室，气体在加热的基底表面分解、反应，生成固态膜，副产物随气流排走。成膜发生在表面化学反应这一步，而不靠粒子直线撞击。前驱体多是易挥发的金属有机物或卤化物，受热后才在基底上分解。
气体能扩散到基底的各个面，连背对进气口的地方也能成膜，所以CVD是非视线沉积，覆盖比PVD好，还能一次镀满大面积基底。这也是半导体工业大量用CVD长介质和多晶硅的原因。
成膜速率受两种机制轮流控制：温度低时由表面反应速率控速，温度高时由气相输运控速。换不同前驱体，还能调出不同成分和化学计量的膜。调温度、压力和气体配比，就能改变成膜速率和膜的致密程度。
CVD 的膜长什么样？
随着沉积时间延长，CVD镀层的覆盖和厚度逐步增加，表面从零星覆盖长到连续膜。膜的形貌和结晶，受温度、气体流量和前驱体浓度一起影响，因此调工艺就能调膜质。
CVD的短板是温度较高，常要几百摄氏度，对不耐热的基底不友好；有些前驱体和副产物还带腐蚀性或毒性。不过它大面积、成分可调、覆盖较好，在涂层和微电子里用得极广，硬质涂层、多晶硅和石墨烯都常用它来长。
ALD把成膜反应分成两个自限制半反应。第一步通入前驱体A，它在表面吸附到饱和就自动停下，多余的被吹扫走；第二步通入反应物B，与吸附层反应生成一个亚单层，再吹扫。这样一个循环，只长一个亚单层，厚度增量固定而可控。
因为每步都自限制，膜厚就等于循环数乘以每循环增量，随循环数线性增长，精度做到埃级。想要多厚，数够循环数即可，这是PVD和CVD都难做到的厚度控制。同一台设备靠设定循环数，就能重复做出厚度一致的膜。
正因如此，ALD尤其擅长超薄膜和纳米叠层。把两种材料交替沉积，就能做出一层层清晰、厚度精确到几纳米的叠层结构，用在阻挡层、介质和光学膜上。
共形，指薄膜在起伏、深孔、高深宽比结构上处处等厚。ALD每一步都饱和自限制，只要前驱体扩散得到，孔壁、沟槽底部的每个角落都长上等厚的膜，覆盖能力远超PVD和CVD。这也是ALD能给三维芯片结构镀出均匀绝缘层的原因。
薄膜能紧紧贴合起伏的基底、厚度均匀，正是ALD共形性的体现。它的短板是速率慢，一个循环要几秒到几十秒，能沉积的材料种类也有限。
同长一层膜，三种方法的差别集中在覆盖、厚度精度、温度和速率上。PVD粒子直线飞行、台阶覆盖差；CVD气相反应、覆盖中等；ALD自限制、完美共形。同一个深槽，三种方法镀出来的均匀程度相差悬殊。
厚度精度上，ALD靠循环数做到埃级最准，CVD和PVD多靠时间和速率估算。速率上PVD和CVD快、ALD慢，温度上PVD最低、CVD偏高、ALD居中偏低。这几项常常互相牵制，很难同时做到最优。
薄膜能否严丝合缝地包住复杂结构，是三者最容易看出的分野。ALD能在深孔里镀出等厚膜，PVD只镀得到正面，CVD介于两者之间。把覆盖、精度、温度和速率摆在一起，方法之间的取舍就清楚了。
选哪种，取决于目标膜层：平整基底上的硬质涂层和功能膜多用PVD，大面积介质和半导体薄膜多用CVD，超薄阻挡层、纳米叠层和高深宽比结构的共形镀层多用ALD。高端器件常把三种方法组合起来、各用所长。一层膜到底由哪种方法来长，取决于它的位置和精度要求。
