在半导体制造中，物理气相沉积（PVD）是一种高真空工艺，用于将极薄、纯净的材料薄膜沉积到硅晶圆上。它的工作原理是通过汽化固体源材料（称为“靶材”），使其原子穿过真空并凝结在晶圆表面。该技术对于构建构成微芯片布线的复杂导电层至关重要。
PVD不仅仅是一种涂层技术；它是一种用于构建集成电路内部金属电路的精密工程工艺。它是制造用于在芯片上数百万个晶体管之间传输信号的高纯度、均匀金属层（即“互连线”）的主要方法。
核心原理：逐原子构建
PVD是一种“视线”工艺，涉及真空室内的三个主要步骤。该方法的精度使得现代高性能电子设备成为可能。
从固体靶材到原子蒸汽
该过程从一块称为靶材的固体高纯度材料板（例如铜、铝、钛）开始。在真空中，该靶材受到高能源的轰击，最常见的是富含离子的等离子体。这种轰击会物理地将原子从靶材上撞击下来，将固体材料转化为蒸汽。
真空的关键作用
整个过程在极高真空下进行。这有两个基本原因。首先，它通过去除会与汽化金属反应的氧气和氮气等空气分子来防止污染。其次，没有空气可以使汽化的原子以直线路径直接传输到晶圆上，而不会与其他粒子碰撞。
沉积到晶圆上
汽化的原子穿过腔室并撞击充当基板的较冷硅晶圆。撞击晶圆表面后，它们会重新凝结成固体状态，形成一层薄薄的、均匀的、高纯度的薄膜。这种逐原子堆积可以对薄膜的厚度和性能实现出色的控制。
为什么PVD对现代芯片至关重要
虽然PVD可用于许多行业，但其在半导体制造中的应用尤为关键。它不是用于装饰，而是用于实现基本的电子功能。
创建导电通路（金属化）
PVD在芯片制造中最重要的作用是金属化。它是沉积用作连接晶体管和其他组件的微观“导线”的金属层（通常是铝或铜）的首选工艺。这些通路被称为互连线，它们的质量直接影响芯片的速度和可靠性。
形成阻挡层和粘附层
现代芯片通常使用铜作为互连线，但铜原子可能会扩散到周围的硅中，从而破坏器件。为防止这种情况，首先使用PVD沉积一层非常薄的阻挡层（例如钽或氮化钛）。该层充当屏障，限制铜的扩散，同时帮助其正确粘附到晶圆表面。
确保高纯度
导线的电气性能对杂质非常敏感。PVD的高真空环境确保沉积的金属薄膜具有极高的纯度。对于生产符合规格的可靠芯片而言，这种纯度是不可或缺的。
了解权衡
没有一种工艺对所有应用都是完美的。了解PVD的局限性是理解其与其他制造技术并存作用的关键。
“视线”限制
由于PVD原子以直线传播，因此该工艺难以均匀地覆盖芯片上深而窄的沟槽的底部和侧壁。这个问题被称为不良的阶梯覆盖率，随着芯片特征的缩小而变得更加显著。沟槽的顶部“肩部”会获得很厚的涂层，而底部则很少。
低温优势
PVD过程在相对较低的温度下进行。这是半导体制造中的一个主要优势，因为它避免了对先前步骤中已构建在晶圆上的精密晶体管结构的损坏。高温可能会改变或破坏这些复杂的组件。
互补的沉积方法
对于具有复杂3D结构的最先进芯片设计，PVD的视线限制可能是一个决定性因素。在这些情况下，会使用其他技术，如化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）。这些方法是化学而非物理的，擅长在任何形状上创建完全均匀的“共形”涂层。
根据您的目标做出正确的选择
PVD是半导体制造的基石，但其应用是特定的。它的价值取决于制造目标。
- 如果您的主要重点是后端（BEOL）布线： PVD是沉积纯金属互连线和实现这些互连线所必需的关键阻挡层的基本技术。
- 如果您的主要重点是创建绝缘薄膜： 您通常会选择化学气相沉积（CVD），它更适合沉积氧化物和氮化物电介质。
- 如果您的主要重点是涂覆高度复杂的3D特征： 您会选择原子层沉积（ALD），因为它在即使在最深的沟槽内部也能创建完美均匀薄膜方面具有无与伦比的能力。
最终，理解PVD就是理解数字世界中的微观布线是如何一丝不苟地、一次一个原子地构建起来的。
摘要表：
| 关键方面 | 在半导体制造中的作用 |
|---|---|
| 主要功能 | 沉积用于导电布线（互连线）和阻挡层的薄而纯的金属薄膜。 |
| 核心原理 | 一种物理的、视线过程，在高真空中汽化固体靶材材料。 |
| 关键优势 | 实现高纯度、低温沉积，保护精密的晶体管结构。 |
| 主要限制 | 与CVD或ALD相比，对深而窄的沟槽的阶梯覆盖率较差。 |
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