从原子层沉积到 PVD：半导体芯片制造中的真空镀膜技术全解析

在纳米级精密制造的半导体芯片领域，真空镀膜技术如同一位隐形的 “纳米建筑师”，在微观尺度上构建着芯片的核心结构。原子层沉积（ALD）与物理气相沉积（PVD）作为其中的两大核心工艺，各自凭借独特的技术特性，支撑着芯片性能的持续突破。从 2nm 制程的晶体管栅极绝缘层，到先进封装中的金属互连网络，这些精密薄膜的沉积精度与质量，直接决定了芯片的功耗、速度与可靠性。接下来，让我们深入探索这两种技术的原理、应用与未来发展。

一、原子层沉积（ALD）：纳米级的 “分子绘画”

原子层沉积技术诞生于 20 世纪 70 年代的芬兰，其核心原理基于自限制性化学反应，通过周期性的气体脉冲实现原子级精确沉积。简单来说，ALD 的沉积过程分为四个步骤：第一步，先驱体气体通入反应腔室，吸附在基底表面；第二步，惰性气体吹扫，去除未反应的多余气体；第三步，另一种反应气体通入，与已吸附的先驱体发生化学反应；第四步，再次用惰性气体吹扫，清除反应副产物，至此完成一个沉积周期。

原子层沉积技术原理示意图

来源：网络公开资料

这种逐层生长的模式赋予 ALD 极高的均匀性和保形性。在 3nm 及以下先进制程中，晶体管栅极的高介电常数（High-k）介质层厚度仅为几纳米，ALD 能够精确控制薄膜厚度至原子层级，误差不超过 0.1nm，有效降低栅极漏电流，提升芯片性能。此外，在深宽比高达 10:1 以上的高深宽比通孔（TSV）结构中，ALD 也能实现均匀的薄膜覆盖，保障芯片三维集成的可靠性。

然而，ALD 并非完美无缺。其逐层沉积的特性导致沉积速率较慢，以 HfO₂介质层为例，单周期沉积厚度仅 0.05-0.1nm，制备 10nm 薄膜需耗时数十分钟。此外，ALD 设备与工艺对气体纯度、反应温度等参数极为敏感，微小的波动都可能影响薄膜质量，这使得 ALD 技术的成本居高不下，限制了其在某些对成本敏感领域的应用。

当前，相关技术正朝着MW - PEALD，也就是微波等离子体增强原子层沉积技术的方向演进。微波等离子体辅助原子层沉积系统利用微波能量激发等离子体，通过周期性交替引入前驱体和反应气体，在基底表面实现原子级别的薄膜沉积。设备能够精准控制工艺过程中的温度、压力、气体流量和等离子体功率等主要参数，确保所制备薄膜在厚度、成分和物理化学性能等方面具备优异一致性。

厦门毅睿科技自主研发的面向7nm以下先进工艺的微波等离子体增强原子层沉积（MW-PEALD）系统，技术核心为谐振导波腔，利用2.45GHz微波电源激发高密度、均匀的低温等离子体，实现了大尺寸晶圆条件下薄膜厚度和界面质量的精准可控，能够有效降低器件制造过程中界面缺陷及颗粒污染等问题。

面向7nm以下先进工艺的微波等离子体增强原子层沉积（MW-PEALD）系统

来源：厦门毅睿科技官网

二、物理气相沉积（PVD）：物质形态的 “物理重构”

与 ALD 的化学沉积不同，物理气相沉积（PVD）通过物理手段实现薄膜制备，主要包含蒸发、溅射和离子镀三种技术。蒸发沉积是最早应用的 PVD 技术，通过加热使靶材汽化，蒸汽在基底表面凝结成膜；溅射沉积则利用高能离子轰击靶材表面，使原子或分子脱离并沉积到基底上；离子镀结合了蒸发与溅射的优势，在沉积过程中引入离子束，增强薄膜与基底的结合力。

热蒸发

磁控溅射工作原理图

来源：网络公开资料

PVD 技术的优势在于高速沉积与优异的电学性能。在芯片制造中，PVD 常用于金属互连层的制备，如铜互连工艺中，磁控溅射技术可在数分钟内完成数百纳米厚的铜种子层沉积，为后续电镀工艺提供良好的导电基底。此外，PVD 制备的金属薄膜具有低电阻率、高致密度的特点，能够有效降低信号传输损耗，满足芯片高速运行的需求。

厦门毅睿科技溅镀系统

来源：厦门毅睿科技官网

不过，PVD 也存在局限性。相较于 ALD，PVD 的薄膜均匀性与保形性较差，在复杂三维结构中难以实现均匀覆盖，可能导致局部厚度不足或过量，影响芯片性能。同时，溅射过程中产生的二次粒子轰击可能对基底造成损伤，尤其在处理脆弱的半导体材料时，需额外采取防护措施。

三、ALD 与 PVD 的协同与竞争

在实际芯片制造中，ALD 与 PVD 并非相互替代，而是互补协作。以 FinFET 晶体管的制造为例，ALD 用于制备高可靠性的栅极绝缘层，确保栅极对沟道的精确控制；PVD 则负责沉积栅极金属层，实现高效的电流传输。这种分工模式充分发挥了两种技术的优势，推动芯片性能不断提升。

随着芯片制程向 1nm 及以下演进，两种技术也面临新的挑战与机遇。ALD 需要进一步提升沉积速率，降低成本；PVD 则需突破薄膜均匀性的瓶颈，满足复杂结构的沉积需求。同时，二者都在探索与其他技术的融合，如 ALD 与化学气相沉积（CVD）结合的混合沉积技术，以及 PVD 与原子层沉积交替进行的 “原子层溅射” 技术，旨在创造性能更优的薄膜材料。

多腔体自动传输蒸镀/溅镀系统

来源：厦门毅睿科技官网

四、未来展望：技术革新与产业变革

在半导体产业追求 “更小、更快、更节能” 的驱动下，真空镀膜技术将持续创新。一方面，ALD 与 PVD 设备将向智能化、自动化方向发展，通过机器学习算法优化工艺参数，实现薄膜质量的实时监控与反馈调节；另一方面，新材料的研发将拓展镀膜技术的应用边界，如二维材料、钙钛矿等新型半导体材料的薄膜制备，为下一代芯片技术提供可能。

此外，随着半导体产业链的区域化重构，国产真空镀膜设备与工艺的自主化进程加速。国内企业已在 ALD 设备核心部件、PVD 磁控溅射源等领域取得突破，未来有望打破国外技术垄断，推动中国半导体产业实现跨越式发展。

从原子层级的精确控制到宏观性能的极致追求，ALD 与 PVD 技术的发展不仅是工艺的革新，更是半导体产业持续进步的缩影。在这场纳米级的技术竞赛中，真空镀膜技术将继续扮演关键角色，为人类探索更微小、更智能的芯片世界奠定坚实基础。

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