2. 溅射工艺物理基础

PVD 溅射并不是“把靶材加热蒸发”的过程，而是在真空腔体内建立等离子体，用高能离子轰击靶材表面，通过动量传递把靶材原子“打”出来，再让这些原子飞到晶圆表面凝结成膜。理解这条物理链，是后续调功率、调气压、调磁场和排查膜厚/均匀性问题的前提。本节按“等离子体产生 → 离子轰击 → 靶材原子溅射 → 薄膜沉积”四个环节展开，并给出可观察的参数与判断依据。

一、等离子体产生：从气体到自持放电

溅射腔体先抽到高真空（典型本底约 10⁻⁶～10⁻⁷ Torr），再通入工作气体，最常用的是氩气（Ar）。Ar 是惰性气体，不易与靶材或膜层反应，且原子量较大（约 40 amu），动量传递效率高。通入后腔体压力通常维持在 1～10 mTorr 量级（示例：3 mTorr）。

在靶材（阴极）与腔体/基片之间施加直流（DC）或射频（RF）电压。以 DC 为例，靶材接负高压（示例：−300～−600 V），腔体接地。腔体内残余的自由电子被电场加速，获得足够动能后与 Ar 碰撞，发生电离：

e⁻ + Ar → Ar⁺ + 2e⁻   （电子碰撞电离）

一次电离产生的新电子继续被加速，再电离新的 Ar，
形成电子增殖，即“雪崩”，最终建立自持放电。

此时腔体内同时存在 Ar⁺、电子、中性 Ar 和少量激发态 Ar*。激发态回到基态时发出特征辉光，因此等离子体区域呈现明显的紫粉色辉光——这是判断“是否起辉”的最直观信号。若辉光偏暗、发白或只在局部出现，往往说明气压过低、功率不足或磁场分布异常。

二、离子轰击：鞘层与能量传递

等离子体整体近似电中性，但在靶材附近会形成一层正电荷占优的“离子鞘层”。靶材为负电位，Ar⁺ 在鞘层电场中被加速，以较高能量撞击靶材表面。离子到达靶材的能量主要由靶材电位与等离子体电位之差决定，典型在几十到几百电子伏特量级。

离子轰击靶材时发生两类事件：一是把动量传递给靶材表层原子；二是部分能量转化为热，使靶材升温。因此靶材需要冷却（背面通冷却水），否则可能因过热导致靶材开裂、脱焊或磁钢退磁。轰击强度与离子电流密度相关，而离子电流密度又受功率、气压和磁场约束程度影响。

三、靶材原子溅射：动量传递与溅射产额

当入射离子的能量超过靶材表面的“溅射阈值”（典型约 20～40 eV）时，靶材表层原子通过级联碰撞获得向外动量，克服表面结合能后离开靶面，这一过程即溅射。溅射出来的粒子以靶材原子为主，也可能含少量团簇和二次电子。

衡量溅射效率的核心参数是溅射产额 Y，定义为每个入射离子平均溅射出的靶材原子数。Y 与以下因素有关：

• 入射离子能量：能量升高，Y 增大，但超过约 1 keV 后因离子注入更深而增速放缓甚至下降。
• 离子/靶材原子质量比：质量接近时动量传递更有效。Ar⁺ 轰击 Cu、Al、Ti 等常见靶材时 Y 较高。
• 入射角：斜入射通常比垂直入射产额更高，但磁控溅射中靶面刻蚀会形成“跑道”形凹槽，正是磁场约束下离子轰击不均匀的结果。
• 靶材材料：结合能越高，Y 越低。示例：Ar⁺ 在 500 eV 下，Cu 的 Y 约 2～3，Ti 约 0.5～1，W 更低。

溅射出的靶材原子初始动能通常在几到几十电子伏特，远高于热蒸发原子的约 0.1 eV。这一“高能沉积”特性使溅射膜层致密、附着力好，但也可能带来膜层应力偏大和基片升温。

四、薄膜沉积：从靶面到晶圆表面

溅射原子从靶面飞出后，在气压决定的平均自由程内与 Ar 碰撞，部分被散射改变方向。气压越高，散射越强，到达基片的原子方向性越差，台阶覆盖可能改善，但也会损失能量并增加腔体污染风险；气压越低，方向性越好，深孔底部覆盖变差。因此气压是调节“覆盖形貌”的关键旋钮。

到达晶圆表面的原子经历吸附、表面扩散和成核，最终形成连续薄膜。膜厚由溅射速率和沉积时间决定：

膜厚 t ≈ R × T

R：沉积速率（nm/min 或 Å/s），由功率、气压、靶材、靶基距决定
T：沉积时间

示例：R = 60 nm/min，T = 30 s → t ≈ 30 nm

实际判断膜厚是否达标，通常用四探针测方块电阻、用椭偏仪或 XRF 测厚度，并与工艺窗口比对。若膜厚偏薄，优先检查功率是否漂移、靶材是否已刻蚀过度、气压是否变化；若均匀性变差，则要检查磁场、靶基距和基片旋转状态。

五、把物理链落到工艺判断上

把上述四个环节串起来看，就能理解常见现象背后的原因。例如：起辉困难，多半是气压太低或靶面污染；沉积速率突然下降，可能是靶材刻蚀到寿命末端或磁场减弱；膜层出现颗粒，往往与靶面“跑道”凹槽过深、溅射产物再沉积剥落有关；深孔底部覆盖差，则要降低气压、提高方向性，或改用更利于覆盖的工艺条件。

需要强调的是，溅射产额、平均自由程和沉积速率都不是孤立参数，它们通过等离子体状态耦合在一起。调一个旋钮，往往同时改变离子能量、散射程度和膜层应力。因此在实际工艺开发中，通常先固定靶基距和磁场，再以功率—气压—时间三者的组合去逼近目标膜厚与均匀性，最后用膜厚、方阻和形貌数据反向确认工艺窗口。