MEMS科普 |金属材料添加工艺解析（三）：物理气相沉积之溅射技术——动量驱动的普适性薄膜沉积

针对铝、钛、铜、金、钨等导电金属材料的薄膜制备，通常采用直流电源激发离子轰击阴极靶材。如图(a)所示，直流溅射系统核心组件包括直流电源、作为阴极的金属靶、高压氩等离子体发生源以及承载晶圆衬底的阳极。其工作原理是：在负偏压作用下，氩离子撞击金属靶面，致使靶材原子剥离并迁移沉积至衬底表面。虽然提高溅射功率可显著提升淀积速率，但过高的功率可能导致基材损伤。为解决这一矛盾，常引入磁控溅射技术：通过在靶材背部增设磁铁构建磁场，约束电子在靶面附近运动，从而在不增加电压的前提下大幅提高氩气电离效率，实现高效淀积。

如图(b)所示，射频溅射系统以射频电源替代了传统的直流电源。尽管该系统仍需直流偏置来维持等离子体，但氩离子的加速主要依赖交流电场驱动。工业上普遍采用13.56 MHz作为工作频率（ISM频段）。由于交流电能够穿透绝缘介质，射频溅射不仅适用于导体，更广泛应用于二氧化硅、氮化硅及玻璃等介电材料的成膜，有效克服了介电材料因电荷积累（充电效应）而无法进行直流溅射的局限。此外，通过反转电气连接，可利用等离子体轰击衬底而非靶材，实现衬底表面的原位清洗。

与蒸发工艺相比，溅射技术在非平整表面的保形涂覆方面表现更为优异，这对三维MEMS器件金属化及集成电路互连至关重要。然而，在通孔结构中，溅射存在明显的厚度不均匀性：通孔侧壁上部的淀积速率远高于下部，导致侧壁薄膜呈现“上厚下薄”的梯度分布。对于高深宽比通孔，受限于质量传输效应，入口处易形成狭窄瓶颈并产生高压屏蔽，致使底部难以沉积金属。总体而言，深宽比越大的沟槽或通孔，其台阶覆盖效果越差。

为改善台阶覆盖能力，主要采取两种策略：一是通过加热衬底增强原子的表面扩散；二是施加RF偏置利用离子轰击诱导侧壁材料的再沉积。前者更适用于耐高温绝缘层（如SiO2）的集成电路工艺；但对于由不耐温聚合物构成的三维MEMS结构，加热法受到限制。因此，高深宽比MEMS结构的均匀金属化仍是技术难点，化学镀（Electroless Plating）可能是解决此类聚合物结构金属化的有效替代方案。