物理气相沉积
从真空飞行到功能薄膜
把固体源材料变成原子或离子通量，在受控真空中完成金属化、阻挡层、种子层和功能薄膜沉积。
课程路线：先理解飞行，再决定工艺
01 · 为什么用 PVD
定位金属薄膜、真空输运与视线沉积。
02 · 蒸发如何工作
点源、面源、均匀性、监控与 lift-off。
03 · 溅射如何工作
等离子体、产额、DC / RF 与磁控增强。
04 · 如何获得好薄膜
微结构、应力、均匀性、台阶覆盖与量测。
05 · 如何面对三维结构
离化 PVD、集群整合、Ru 与先进封装边界。
06 · 课堂决策
从材料、几何和后续工艺反推沉积方案。
PVD 的核心：源材料跨越真空抵达晶圆
强项
金属薄膜、低污染、设备成熟、成分可控、量产效率高。
先天边界
通量具有方向性；高深宽比结构会出现阴影、顶部堆积和底部不足。
与 CVD 的第一性差别
PVD 的材料先离开固体源，再飞向晶圆；CVD 则依赖前驱体在表面发生化学反应。两者的“覆盖能力”来自不同物理机制。
真空不是背景：平均自由程决定原子怎么飞
压力 p ↓
平均自由程 λ ↑，碰撞减少。
蒸发
高真空下接近弹道飞行，方向性强。
溅射
工作气压通常更高，碰撞拓宽到达角分布。
课堂尺度感
当 λ 远大于源片距离时，原子几乎“直飞”；当 λ 小于腔体尺度时，散射会同时影响均匀性、致密度和台阶覆盖。
PVD 方法地图：蒸发、溅射与 PLD 各有窗口
热蒸发
加热源材料形成蒸气。设备直观，适合 lift-off；合金控制和台阶覆盖较弱。
电子束蒸发
电子束局部加热高熔点材料，减少坩埚接触污染。
溅射
Ar⁺ 轰击靶材，适合多类金属、合金和化合物薄膜。
RF 溅射
支持绝缘靶材，避免持续充电抑制离子轰击。
离化 PVD
提高金属通量离化率，利用偏压改善方向控制。
PLD
脉冲激光激发材料形成蒸气，面向复杂组成功能薄膜。
蒸发：高真空中的视线沉积
源温度控制蒸气压
温度略微变化，就可能带来显著速率变化。
粘附系数通常较高
到达原子不易重新分配，因此阴影效应明显。
源形式
电阻舟、坩埚、电子束枪；源几何决定通量分布。
速率监控
常用石英晶体监控器记录质量负载与厚度趋势。
为什么 lift-off 常偏爱蒸发？
较强方向性有利于减少胶侧壁覆盖，保留可剥离通道。代价是复杂结构中的侧壁覆盖较弱。
均匀性实验：点源距离如何改变片内厚度
点源模型：t(r)/t(0)=cos³θ=[h/√(h²+r²)]³。面源曲线使用 cosθ 作为课堂对照。旧课件示例为 100 mm 晶圆、h=15 cm。
台阶覆盖：方向性越强，阴影效应越明显
顶部堆积
开口边缘先获得较厚薄膜，可能形成 overhang。
底部不足
高深宽比结构会屏蔽倾斜入射通量。
蒸发
视线沉积明显，适合 lift-off，不适合深沟槽共形覆盖。
溅射
散射带来更宽角分布，覆盖通常改善，但并非天然共形。
溅射：用离子动量把靶原子打出来
溅射产额
Y 受靶材、离子种类、能量和入射角影响。不是“功率越大越好”，还要考虑损伤、再溅射和应力。
磁控溅射：把电子困在靶面附近
磁场的作用
磁场使电子在靶面附近延长运动路径，提高 Ar 碰撞电离概率。
工程收益
更强、更局域的等离子体；在更低压力下维持放电；提高沉积速率并改善可控性。
产额实验：能量、角度和材料共同决定速率
曲线是归一化教学模型，用于解释趋势；真实产额需查材料与离子能量数据。
DC、RF 与反应溅射：电源选择取决于靶材
DC 溅射
适用于导电靶材。电路简单、量产成熟，金属沉积中常见。
RF 溅射
适用于绝缘靶材。交变电场缓解靶面持续充电问题。
反应溅射
在 Ar 中加入 O₂ 或 N₂ 等反应气体，形成氧化物或氮化物薄膜。
合金沉积
可使用合金靶或共溅射路线；组成控制通常优于热蒸发共蒸发。
偏压与再溅射
晶圆偏压可调控到达离子能量，也可能导致损伤与成分漂移。
温度窗口
衬底温度影响吸附原子迁移、晶粒、密度和应力。
薄膜微结构：压力和归一化温度共同塑形
以 Thornton 结构区模型为定性框架：吸附原子迁移能力与气相散射共同改变柱状结构、致密度和应力。
离化 PVD：给金属通量增加方向控制
离化金属通量可通过偏压调控入射方向，改善底部覆盖；但超高 AR 共形覆盖仍常需要 ALD / CVD 等路线。
金属化不是单层膜：先清洁，再阻挡，再成核
Al 路线
导体与阻挡层薄膜，强调片内均匀性和接触可靠性。
Cu 双镶嵌
Ta / TaN barrier 与 Cu seed 为后续电镀提供基础。
接触与金属栅
材料体系更复杂，需关注界面、损伤和尺寸效应。
先进封装
UBM 与 bond pad 仍是 PVD 的重要应用窗口。
质量闭环：把厚度、应力、成分和缺陷同时压进窗口
厚度与均匀性
四探针、椭偏、XRR、片内 mapping；关注边缘效应与靶材寿命。
成分与电阻
XPS、RBS、XRF、四探针；反应溅射还要关注化学计量比。
应力与微结构
晶圆翘曲、XRD、SEM / TEM；应力会影响剥落、裂纹和可靠性。
缺陷与覆盖
颗粒、针孔、SEM 截面和电学结构；覆盖不足可能在后续填充中放大。
量产配方不是单目标优化：功率、压力、偏压、温度、靶片距离、预清洁与腔体历史必须共同管理。
设备整合：量产靠集群，不靠孤立腔体
Load lock
隔离大气与工艺真空，缩短切换时间。
Preclean
原位去除污染和原生氧化层，降低接触电阻。
多腔体
阻挡层、种子层、导体层可在受控转移中连续完成。
机械手
稳定节拍，减少暴露和交叉污染。
终点与监控
配方、靶材寿命、腔体状态和颗粒水平进入 SPC。
整合思想
PVD、CVD、ALD、ECD 可以组合，而不是相互排斥。
2026 前沿观察：PVD 的价值正在重新分区
Ru 半镶嵌互连
imec 于 2025 年展示 16 nm pitch Ru 线，面向 A7 及以后局部互连。材料选择与填充路线正在改变。
imec · 2025-06-03Nanosheet 与背面供电
TSMC 官方页面显示 N2 已于 2025 年第四季度量产，A16 引入 Super Power Rail。三维结构让界面与金属整合更苛刻。
TSMC · accessed 2026-06-02先进封装 UBM
Applied Materials 的公开产品资料将 UBM、bond pad 与多类金属列为 PVD 应用。封装扩展继续放大薄膜均匀性和应力管理的重要性。
Applied Materials量产 PLD
Lam Research 于 2024 年介绍 Prestis，称其将 PLD 带入晶圆级量产，面向 RF、MEMS 与复杂组成功能薄膜。
Lam Research · 2024-03-26教学边界：N2 / A16 和 Ru 互连用于解释结构与材料约束变化，并不意味着所有相关薄膜都采用 PVD。工艺路线需按具体模块判断。
课堂推演：没有万能沉积法，只有匹配窗口
| 问题 | 决策依据 |
|---|---|
| 材料导电吗？ | 决定 DC、RF、反应溅射或其他路线 |
| 几何结构复杂吗？ | 平面、lift-off、沟槽、通孔、高 AR |
| 后续工艺是什么？ | 电镀、刻蚀、CMP、退火、可靠性 |
| 关键指标是什么？ | 成分、覆盖、应力、颗粒、吞吐量与成本 |
随堂检查：把 PVD 变成可迁移的判断框架
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一手资料入口
- imec: 16 nm pitch Ru lines
- TSMC: N2 / A16 technology
- Lam Research: Deposition products and PLD
- Applied Materials: Endura UBM PVD
经典教学结构来自本地 `LN10 - Thin film II.ppt` 的只读检查；前沿内容基于官方资料并明确标注教学边界。