半导体中的溅射是什么？精密薄膜沉积指南

在半导体制造中，溅射是物理气相沉积（PVD）的一种基本工艺，用于以原子级精度制造超薄材料膜。它的作用类似于微观喷砂器，通过等离子体中的高能离子轰击作为源材料的靶材。这种碰撞会物理性地将原子从靶材上撞击下来，这些原子随后通过真空并沉积到基板（例如硅晶圆）上，形成均匀的涂层。

溅射不是化学反应，而是原子级转移的物理过程。它利用带电离子将原子从源材料中撞击出来，这些原子随后移动并在半导体晶圆上形成精确、均匀的薄膜——这是构建微芯片电路的关键步骤。

核心机制：一场原子台球游戏

溅射在一个高度受控的真空室中进行。整个过程可以理解为一系列物理事件，就像原子级的台球游戏一样。

首先，将腔室抽真空至高真空，以去除任何杂质。然后，以低压引入惰性气体，最常见的是氩气。施加电场，使氩气带电并从氩原子中剥离电子，从而产生发光的电离气体，称为等离子体。

腔室内有两个关键组件：靶材和基板。靶材是您希望沉积的纯材料板（例如，钽、铜、钛）。基板是您要进行涂覆的物体，在半导体制造中通常是硅晶圆。

靶材被赋予负电荷（充当阴极）。这会吸引等离子体中带正电的氩离子，使其加速并以巨大的力撞击靶材表面。

这种高能撞击会物理性地分离或“溅射”靶材原子。这些被溅射出的原子会向各个方向飞散，最终凝结在基板较冷的表面上，一次一个原子地缓慢形成薄膜。

溅射不仅仅是众多选择中的一种；它通常是制造微芯片中某些关键层的最佳或唯一方法。其优势直接源于其物理性质。

由于溅射是物理性地将原子撞击下来，而不是熔化或蒸发它们，因此它非常适合沉积具有极高熔点的材料。它还擅长沉积合金，因为它可以将材料从靶材转移到基板上而不会改变其化学成分。

溅射原子以显著的动能到达基板。这导致薄膜非常致密并牢固地附着在底层上，这对于微芯片的可靠性至关重要。

此过程用于创建集成电路的基本部分。这包括传输信号和电力的微观金属线（互连），以及防止不同材料混合的阻挡层。

像任何工程过程一样，溅射涉及特定的优点和考虑因素，使其适用于某些应用，而不是其他应用，例如化学气相沉积（CVD）。

对于合金等复杂材料，溅射能忠实地再现靶材在基板上的成分。这比难以保持正确元素比例的化学或热方法具有显著优势。

溅射是沉积芯片上形成布线的金属层的主要方法。它能够制造纯净、致密和均匀的金属薄膜，在这方面是无与伦比的。

溅射系统需要复杂的超高真空泵和高压电源。这使得设备和工艺比某些替代方案更复杂。

由于溅射原子沿相对直线传播，因此该过程可能难以均匀涂覆高度复杂的三维结构。高大特征投下的“阴影”可能导致沟槽或侧壁上的覆盖层更薄。

当沉积薄膜的物理特性和纯度至关重要时，就会选择溅射。它的作用由其处理各种材料的独特能力决定。

最终，溅射是基础工具，它为工程师提供了构建现代集成电路微观结构所需的精确物理控制。