溅射硅的工艺流程是怎样的？高纯度薄膜沉积的分步指南

从本质上讲， 溅射硅是一种物理气相沉积（PVD）技术，其中高纯度的硅“靶材”在真空室中受到高能离子的轰击。这种原子尺度的碰撞会将硅原子从靶材中溅射出来，然后这些原子传播并凝结到基板上，形成一层极其薄且均匀的薄膜。

理解溅射的最好方式是将其视为一种高度受控的原子级喷砂工艺。它使用的不是沙子，而是电离气体，用于将原子从源材料上剥离下来，并在真空中的另一个表面上沉积成一层纯净的薄层。

核心溅射序列

溅射过程是一个精心分阶段的序列。每一步都是为了控制环境和粒子的能量，以确保最终的硅薄膜符合精确的规格。

整个过程始于创造一个超洁净、受控的环境。将基板（待涂覆的材料）放置在支架上并装入溅射腔室。

然后密封腔室，使用强力泵将空气抽出，形成高真空。这一关键步骤会去除氧气、氮气和水蒸气等大气气体，否则这些气体会污染硅薄膜。

达到所需的真空水平后，向腔室中引入高纯度的惰性气体——最常见的是氩气 (Ar)。

系统精确调节气体流量，以维持稳定的低压环境，通常在毫托（milliTorr）范围内。这种氩气不会与硅发生化学反应；它仅作为轰击的介质。

在腔室内的电极上施加高电压，并将硅靶材材料施加负电荷。这种强大的电场使氩气电离，从原子中剥离电子，从而产生等离子体。

这种等离子体是一种发光的电离气体，由带正电的氩离子 (Ar+) 和自由电子组成。它是驱动整个溅射过程的引擎。

等离子体中带正电的氩离子被带负电的硅靶材强烈吸引。它们加速撞击靶材表面，并携带显著的动能。

这种撞击产生的力足以从靶材上物理性地敲出或“溅射”出单个的硅原子，使其在真空室内传播。

被溅射出的硅原子从靶材以直线传播，直到撞击到基板上。当它们撞击到较冷的基板表面时，它们会凝结并附着，逐原子地逐渐形成一层膜。

随着时间的推移，这个过程会在整个基板表面形成一层高度均匀且致密的硅薄膜。

虽然核心序列是一致的，但对于有效溅射硅这种半导体材料来说，一些增强技术至关重要。

对于导电金属靶材，简单的直流 (DC) 电压是有效的。然而，硅是半导体。使用直流电源会导致正电荷在靶材表面积聚，最终排斥氩离子并使过程停止。

为了克服这一点，人们使用射频 (RF) 溅射。快速交替的交流电压能有效地清除每个周期中靶材表面积聚的电荷，从而使该工艺能够高效地持续用于半导体和绝缘材料。

现代系统几乎总是采用磁控溅射。这涉及在硅靶材后方放置强大的磁铁。

这些磁铁产生的磁场将等离子体中的自由电子限制在靠近靶材表面的区域。被捕获的电子被迫沿螺旋路径移动，大大增加了它们与氩原子碰撞并使其电离的机会。这会产生密度更高的等离子体，从而实现显著更高的溅射速率，并减少对基板的不必要加热。

溅射硅薄膜的质量完全取决于对工艺的细致控制。忽略关键细节可能导致沉积失败。

工艺的洁净度取决于起始材料的洁净度。在沉积开始之前，通常会执行一个预溅射步骤，即在遮光板保护基板的情况下对靶材进行短时间溅射。这会去除靶材表面的任何氧化层或污染物。

同样，在打开遮光板进行沉积之前，基板本身可能会经过一个原位刻蚀过程，利用等离子体去除任何天然氧化物或有机残留物。

即使是痕量的活性气体，如氧气或水，进入腔室也可能被掺入到生长的硅薄膜中，形成氧化硅 (SiOx)，从而破坏其电学或光学特性。在引入氩气之前实现并维持高本底真空，对于高纯度薄膜来说是不可或缺的。

溅射工艺的具体参数会根据对硅薄膜所需的结果进行调整。

最终，掌握硅溅射的诀窍在于精确控制一个不稳定的等离子体环境，以实现原子级别的构造。