磁控溅射属于物理气相沉积 PVD,依靠等离子体离子动量轰击靶材,把靶原子 “撞出来”,在晶圆 / 基板上凝结成薄膜;区别于 CVD 的化学反应生长。半导体 Fab 的 PVD(AMAT Endura、Vectra 等)就是这类设备,用来做 Ti/TiN、AlCu、TaN、Cu 种子层,和你前面看的 Lam ALTUS 钨 CVD 是金属化搭档。
真空腔通入 Ar(氩气,惰性气体),电场电离 Ar→Ar⁺正离子。 Ar⁺在电场加速轰击阴极靶材,不是热蒸发,是动量传递:离子撞击靶表面,在晶格内发生碰撞级联,部分靶原子获得足够动能脱离表面,变成中性原子飞出靶面抖音百科。
溅射产额 Y:单个入射 Ar⁺打出的靶原子数量
存在阈值能:一般 10~30eV,低于阈值无溅射;
500eV 附近金属产额较高;能量过高变成离子注入,产额反而下降;
高原子序数金属(Ag、Au)Y 大;难熔金属 W、Mo、Ta Y 偏低(0.4~0.6)。
靶背面布置永磁体,在靶面形成闭合环形磁场(跑道 racetrack):
二次电子在电场 E + 磁场 B下做摆线回旋运动,延长在靶面附近的停留时间;
更多电子碰撞 Ar,大幅提升电离效率;
优势:低压、高沉积速率、基板温升低。 普通二极溅射需要高气压;磁控溅射常用1~15 mTorr,原子平均自由程更长,薄膜杂质更少。
电子耗尽能量后脱离磁场,打到基板时能量很低,所以磁控溅射属于低温 PVD,适合塑料、玻璃、热敏介质。
决定薄膜微观结构、应力、孔隙率:
Zone1(高压、低温):原子扩散弱,多孔柱状晶,拉应力;台阶覆盖好,但膜疏松、电阻率偏高
ZoneT(过渡区,工艺优选窗口):致密细晶,低孔隙,压应力,半导体 PVD 目标区间
Zone2(中温):晶粒长大,柱状晶,晶界清晰
Zone3(高温):再结晶,等轴大晶粒
衬底偏压(Substrate Bias):给晶圆加负偏压,离子回轰正在生长的薄膜,打断疏松柱状结构,提升致密度、改善台阶覆盖;但偏压过高会造成离子损伤、薄膜溅射回蚀。