模拟硅表面的氩离子溅射

溅射技术广泛应用于半导体加工领域，用于在基底上沉积均匀、轻薄且附着力强的薄膜。此外，它还可以用于离子铣削等场景中的物理材料去除。在本篇博文中，我们将分享一个实例，展示如何利用建模与仿真来理解溅射过程中涉及的一些物理现象，并为工艺开发提供指导。

什么是溅射？

溅射是一种物理过程，即利用等离子体或气体中的离子化粒子轰击固体表面（即“靶材”），使靶材原子发生溅射脱离，脱离后的原子会沉积到另一个表面（即“基底”）上。溅射过程在宇宙空间中也会自然发生，也是造成精密部件磨损的一个令人头疼的源头。不过，在半导体制造、光学以及 MEMS 相关领域的应用中，这种技术也被巧妙地用于薄膜沉积和物理表面刻蚀。溅射装置的原理示意图如下所示。

典型的溅射沉积装置示意图。图片属于公有领域，来自 Wikimedia Commons.

半导体行业会采用多种溅射工艺，包括磁控溅射、反应溅射以及离子束溅射来沉积薄膜，这类薄膜对于制备当代集成电路所需的复杂多层结构至关重要。这些薄膜可在芯片内部充当阻挡层、粘附层或是导电层。溅射技术在该应用场景下具备诸多优势。例如，该技术能够精准控制沉积薄膜的厚度，同时适用于金属、合金、化合物等多种材料。除此之外，对于无法承受高温的基底而言，溅射也是最为合适的工艺选择。

除薄膜沉积外，溅射技术还可借助受防护掩膜引导的离子化气体粒子，在干法刻蚀工艺中选择性去除晶圆上的材料。氙气、氩气这类惰性气体通常被选为溅射气体，原因是它们化学活性极低，且分子质量较大，能够使靶材材料产生更高程度的位移。

一种溅射装置，真空玻璃管内含有等离子体。

借助仿真分析复杂问题

尽管溅射技术普遍应用于芯片制造与薄膜加工领域，但由于等离子体产生、离子轰击等多种现象同时发生作用，工艺过程会产生诸多复杂问题。因此，想要达到预期加工效果，就必须对气压、电离电位、衬底偏置电压等各类电学、化学以及物理参数进行精细调控与精准把控。

数值模拟可用于分析压力、几何形态以及材料属性等因素，对薄膜生长、基底侵蚀和器件制备的优化具有重要作用。此外，虚拟分析与优化能够帮助研究团队减少成本高昂的实体实验。

接下来，我们来看一个在 COMSOL Multiphysics^® 软件中模拟硅表面的氩离子溅射实例。

如何在 COMSOL Multiphysics^® 中对氩溅射进行建模仿真？

粒子追踪模块是 COMSOL Multiphysics^® 软件的附加产品，提供可用于创建溅射相关模型的专用物理接口。在本实例中，采用 带电离子追踪 接口模拟硅表面附近的氩离子运动轨迹，该接口可计算电场与磁场环境下离子和电子的运动轨迹。变形几何 接口用于可视化溅射引发的表面形貌演变，并捕捉其形貌变化过程。

模型设置示意图。

如上图所示，溅射过程包含两束分别以 45^° 和 −45^° 入射角入射的离子束。当氩离子撞击硅表面时，硅原子会被溅射出来。设定每个例子对应现实中的 10¹² 个氩离子。掩膜高度取 0.2 微米，刻蚀窗口宽度取 0.5 微米。本简化示例中不考虑掩膜自身的溅射损耗。

仿真结果

下图展示了溅射产额与离子束入射角的关系。溅射产额是指单个入射离子所溅射出来的靶材原子数量。由图可知，二次粒子的数量会随入射角的变化而改变。在该简化模型中，假定二次粒子的发射方向遵循余弦分布，并基于弹性碰撞相关假设来估算发射粒子的运动速度。从曲线图中可以看出，在 30^° 至 70^° 范围内，溅射产额几乎随着入射角的增大呈线性上升。因此，可以通过调控离子束的入射角来标定溅射产额。举例而言，若想要较少的材料剥离量，可选用较小的入射角；而在此角度范围内，增大入射束的角度，则会增加靶材的剥离量。

二次溅射粒子的数量随入射角的变化关系。

粒子轨迹以及粒子束以 45^° 和 −45^° 入射角入射时的溅射变化过程。

上图展示了以 45^° 和 −45^° 角度入射的离子束运动轨迹，以及由此产生的溅射演变过程。可以观察到边角位置的溅射材料更多，从而使得高度下降得更快。

如何改进研究结果？

该模型还可进一步拓展，将其他影响溅射的因素纳入考量。例如，除入射角度外，溅射产额还与入射离子能量、入射离子的绝对质量以及相对于靶原子相对质量有关。此外，真实环境中的轰击过程要复杂得多，部分离子会渗入基底内部引发级联碰撞，原子也需要经过多次散射后才会被溅射脱离。该简化模型并未包含上述效应，想要对其进行描述，通常需要采用更为专业的溅射模型或级联碰撞理论。

动手尝试

想要自己亲自动手尝试对溅射过程进行建模吗？请在案例库中下载对应的 MPH 文件：