半导体工艺制程 —PVD: Sputtering溅射-北京大学纳光电子前沿科学中心公共加工平台

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半导体工艺制程 —PVD: Sputtering溅射

发布日期：2025-12-04 浏览次数：

半导体工艺制程—CVD：气相沉积

PVD作为薄膜制程（Thin Film）的另一个重要方式

PVD的Sputtering溅射镀膜的方式与IMP方式有些许类似，基本都是通过纯物理动量交换过程，攻击离子的能量不同导致了不同的制程结果

半导体制程—离子植入-IMP

PVD主要种类：

其中：

Vacuum Evaporation 真空蒸发镀膜，Sputtering溅射镀膜是常见的方式

将先从Sputtering溅射方式开启PVD的介绍

Sputtering的历史与基本原理
Sputtering的应用：半导体/显示行业
Sputtering基本种类与结构：靶材/真空系统
Sputtering的重要参数：溅射率Y与影响因素
Sputtering的各种靶材
Sputtering的历史：

W.R. Grove, 1852使用真空装置，在阴极发现了溅射沉积的金属，当时这并不是他期望的现象，但是几十年后这个技术使用在了薄膜沉积上。

Sputtering基本镀膜原理：

很容易理解的是，在基底上镀膜可以分为3步：

1.气相原子的输入，无论是物理还是化学的方式

2.气相原子的输送，原子运动到基底表面

3.气相原子的沉积，原子在基底表面沉积成膜

对于Sputtering溅射来说：

使用惰性气体原子（Ar,PAr使用最多，成本与效率的平衡）

正常空气中Ar的含量：

在空气中，接近1%的含量使得Ar相对廉价

通过电场电离获得能量，轰击靶材（target）,靶材表面原子获得能量，从表面飞射出来，在基底上（Substrate）沉积获得薄膜

这是一个物理过程，同时如果离子能量过大，预见的是会发生离子注入

溅射出来的不止是靶材的原子，轰击（bombardment)原子可能会反弹，

二次电子以及光子都会出现

电场中电离气体需要一个最小的电压，这个电压要求可以使用Paschen's law预测：

压力与两极板之间的距离设计时有一定的参考意义

注意：

在等离子中，任何表面具有一定负电位时，都可能发生溅射现象，程度不同而已，靶材/真空腔室/基片都可能发生溅射

根据需求不同设计不同的溅射程度：

以靶材为主：溅射镀膜

以基片为主：溅射刻蚀/清洗

以腔室为主：溅射清洗

Sputtering的机理：

早期认为是轰击产生热量，局部的原子受热产生气化蒸发，这可以部分解释轰击能量与升华热之间的一些关联

深入认识后，这个观点：熔化-气态物，有误。

真实情况应是：轰击离子与靶材原子的动量交换，如同打台球一般

支持这个理论的依据有：

从单晶靶材溅射的原子不符合正弦规律，趋向于晶体密度最高的方向

溅射系数Y(溅射出的原子数/轰击离子数，表明溅射效率)不仅与轰击离子的能量有关，与轰击离子的质量也有关，氩气质量合适，氦气就不适合

轰击离子能量有阈值，低于该阈值，不能产生溅射

当轰击离子的能量很大时，溅射系数减少，由于离子注入的效应导致

即使在很高的能量下，电子轰击也很难产生溅射，电子非常轻

Sputtering的特点：

溅射材料适应性广泛，可以制备多种类型的薄膜，包括金属、合金、氧化物，陶瓷。纯金属靶材通过反应溅射工艺可以得到化合物膜层，介质材料可以通过射频溅射工艺得到介质薄膜等

薄膜质量高,低杂质含量，低电阻率

相比蒸发镀膜，台阶覆盖性好（Step Coverage）：

与台阶覆盖的一些评价定义：

溅射粒子初始动能比蒸发大很多，溅射沉积能量高，基片温度上升明显，

一般在溅射工艺中需要对基片做水冷设计

普通溅射成膜速率比蒸发低一个数量级，在磁控溅射技术开发之后，速率

才可能达到工业化要求，也解释了为什么溅射技术比蒸发技术早发现，但

是很晚才应用

Sputtering的一些应用：半导体/显示行业

半导体：Al以及Al的合金薄膜，Ti/Cr/W/Co/Ni/Ta/Cu金属薄膜等等

W钨的Sputtering：

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