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博客 · 显示背板

显示背板工艺 #09 — 成膜 ①：真空与等离子体，所有薄膜的舞台

2026年9月12日·浏览 8·评论 0

系列显示背板工艺·9 / 20篇

迄今为止的工艺有一个共同点：涂布也好、热处理也好、激光也好、掺杂也好——全都发生在真空腔室之中。而接下来剩下的工艺（沉积·刻蚀），离开真空与等离子体根本无法成立。作为沉积篇的第一回，本篇要讲的正是这套舞台装置本身。

什么是真空

真空（vacuum）源自拉丁语 vacua，意为"空着的地方"。理想真空的压力为零，但现实中并不存在。工程上它指压力低于大气压的空间，并按"空到什么程度"划分等级（Vacuum）。

用数字看就有感觉了。由理想气体状态方程，分子数密度等于压力除以玻尔兹曼常数与温度之积。

分子数密度 n = P ÷ (k × T)  (k = 1.381×10⁻²³ J/K)

代入20℃·1个大气压（101,325Pa），得到每1cm³中约有2.5×10¹⁹个分子。所谓制造真空，就是把这个数字减下去。

真空的等级 —— 低真空、中真空、高真空、超高真空

为什么必须是真空

真空提供三样东西。

  • 洁净的空间——只有没有空气中的氧·水分·尘埃，才能只让目标物质成膜。残留气体会直接变成膜的杂质。
  • 便于蒸发的低压——压力低则物质易于气化，气化后的原子能不与其他分子碰撞地直行到基板。只有这个"平均自由程"长于腔室尺寸，沉积才能成立。
  • 特殊的环境——降低压力会使沸点下降。第3篇看到的减压干燥正是这个原理。

平均自由程的算术——把真空度读成数字

"真空好"到底意味着什么？答案就是气体分子在与其他分子碰撞之前飞行的平均距离，即平均自由程（mean free path, λ）（Mean free path）。在硬球模型中，λ按下式计算：

λ = k·T ÷ (√2 × π × d² × P)  (d = 分子的有效直径)

把室温（20℃）的氮气代进去看看。取氮分子的有效直径为0.37nm，只改变压力计算λ，结果如下表。同一张表里还放入了单分子层形成时间——洁净表面被残留气体覆盖出一层分子层所需的时间，由气体分子的碰撞通量 P ÷ √(2π·m·k·T) 除以表面吸附位密度（每1cm²约10¹⁵个）求得。吸附概率按1假定，因此是最短时间。

压力等级分子数密度(cm⁻³)平均自由程 λ单分子层形成时间
760 Torr（大气压）—2.5×10¹⁹66nm3.4ns
1 Torr低·中真空3.3×10¹⁶50μm2.6μs
1 mTorr（10⁻³ Torr）高真空门槛3.3×10¹³50mm2.6ms
10⁻⁶ Torr高真空3.3×10¹⁰50m2.6秒
10⁻⁹ Torr超高真空3.3×10⁷约50km约43分钟

这张表几乎解释了真空工艺中的所有判断。

  • 在大气压下什么也飞不出去。λ只有66nm——是人的头发丝粗细的千分之一。原子即使从靶材上被打出来，也走不到1μm就会撞上空气。
  • 1mTorr附近是分岔点。λ为50mm——与腔室内靶材到基板的距离处于同一数量级。在这个区段粒子会碰撞几次才到达，直行性略有散乱，但换来的是在基板全面上更均匀地铺开。第10篇的溅射之所以使用这一压力带，原因就在这里。
  • 10⁻⁶ Torr以下是完全直行的世界。λ为50m——比腔室大两个数量级。从蒸发源出来的原子一次也不碰撞就到达基板。这也是阴影部位完全不沉积的原因。
  • 洁净是有时限的。在10⁻⁶ Torr下，刚做好的洁净表面3秒就会被残留气体覆盖。要真正以洁净状态处理表面，就必须降到超高真空，把时间争取到分钟量级。沉积前清洗与沉积之间的等待时间为什么必须管理，答案就在这里。

真空不是靠一台泵做出来的

真空系统构成 —— 低真空泵与高真空泵的两级抽气

真空设备是比想象中更复杂的管路系统。它由腔室、多个阀门（粗抽·主阀·防回流·放气）、按压力带划分的规头，以及两类泵构成。

为什么要两台泵？因为高真空泵在大气压下无法工作。前面的表说明了原因——涡轮分子泵是靠高速旋转的叶片把分子朝一个方向击出的装置，而这要成立，分子在撞到叶片之前就不能与别的分子相撞，也就是λ必须大于叶片间距。在大气压下λ只有66nm，叶片不过是在搅动空气而已。所以先用低真空泵（旋片·罗茨系列）粗抽一遍，再打开主阀交给高真空泵。

泵也按工作原理分类——把气体推出去的输运式（旋片·罗茨·涡轮分子）与把气体抓住关起来的捕集式（低温·离子·吸附）（Vacuum pump）。

泵分类工作原理主要使用压力带
旋片泵输运式偏心转子压缩气体并排向大气大气压 → 10⁻³ Torr
罗茨（机械增压）输运式两个啮合转子推送大流量气体10 → 10⁻⁴ Torr
涡轮分子泵输运式高速旋转叶片赋予分子定向动量10⁻³ → 10⁻¹⁰ Torr
低温泵捕集式在极低温表面上凝结·吸附气体10⁻³ → 10⁻¹⁰ Torr
溅射离子泵捕集式把电离后的气体埋进电极10⁻⁵ → 10⁻¹¹ Torr

涡轮分子泵的谱系很有意思。用旋转叶片推走分子这个想法本身很古老，但实用化的关键在于叶片的形状与如何支撑轴。把径向伸出的叶片扭转并使其相互重叠的转子结构被整理成专利（US 3,477,381 — Turbo-molecular pump），此后又引入了让轴无接触悬浮的磁悬浮轴承，润滑油倒流进腔室的风险随之消失（US 4,111,595 — Turbomolecular pump with magnetic mounting）。半导体·显示器工艺所要求的无油（oil-free）真空正是站在这一谱系之上。

捕集式泵有一个决定性的性质——它不把气体排到外面而是存在里面，所以早晚会饱和。这就是低温泵需要定期加温、把抓住的气体释放出来做再生（regeneration）的原因，而这段时间会直接从设备稼动率中扣掉。

读取压力的眼睛——一种仪表不够用

测压力的规头也不能只有一种。正如前表所示，要处理的压力从大气压到10⁻⁹ Torr横跨十二个数量级，而没有任何物理量能在这整个范围内线性响应。

  • 热传导式（皮拉尼·热电偶）——利用气体从加热细丝上带走的热量随压力而变的现象。这个原理早在1930年代就被整理成测量微小压力变化的仪器（"The Pirani Gauge for the Measurement of Small Changes of Pressure," Phys. Rev. 37, 1102 (1931)）。不过压力极低时气体已不足以传热，灵敏度随之丧失。
  • 薄膜式（电容）——把薄膜被压力推动而弯曲的程度读作电容变化。其最大优点是与气体种类无关，因此被用作工艺压力控制的基准。
  • 电离式——用电子撞击气体使之电离，再由离子电流换算压力。它是高真空·超高真空的标准，但早期形式有局限：电子撞击电极产生的软X射线会在收集极上形成电流，造成指示压力高于真实值的本底。把收集极改成细丝以降低这一本底的改良，成了今天高真空规头的原型（"Extension of the Low Pressure Range of the Ionization Gauge," Rev. Sci. Instrum. 21, 571 (1950)）。

等离子体——第四种物质状态

固体·液体·气体·等离子体 —— 第四种物质状态与工艺中使用它的理由

如果说真空腔室是舞台，那么在其上真正干活的演员就是等离子体。等离子体是被电离的气体，带电粒子与中性粒子混杂其中，但正电荷与负电荷的密度相等，因此宏观上呈中性（quasi-neutral）（Plasma (physics)）。

它常被称作"第四种物质状态"，宇宙中的大部分物质都处于这一状态。霓虹灯、荧光灯、极光、太阳都是等离子体。"等离子体"这个名称以及其中电荷集体振荡的性质，是在1920年代末的电离气体研究中被整理出来的（"Oscillations in Ionized Gases," Phys. Rev. 33, 195 (1929)）。

为什么工艺要用等离子体——两个温度

理由只有一个：温度。分解反应气体需要能量，若只靠热则需要数百至数千℃。玻璃基板承受不住那个温度。

等离子体绕开了这个问题。因为被电场加速的电子会与中性气体分子碰撞，代为分解。这里的关键是电子与气体的温度彼此不同。把温度换算成能量，差距就显现出来了。

1eV = 1.602×10⁻¹⁹ J ÷ 1.381×10⁻²³ J/K ≈ 11,600K  /  室温293K ≈ 0.025eV
成员代表能量换算为温度在工艺中承担的工作
电子数 eV（例如2eV）约23,000K以碰撞分解·电离分子——化学反应的扳机
离子0.03~0.1eV 量级数百 K被鞘层电位拉过去轰击表面
中性气体约0.03eV数百 K（300~600K）反应的原料，同时是热的载体

在同一个空间里，两万多度的电子与数百度的气体共存。这在热力学平衡下是不可能的状态，所以这类放电被称为非平衡等离子体或低温等离子体。为什么达不到平衡？答案是质量差。

  • 电子比氮分子轻约5万倍。在同样的电场中，只有电子被压倒性地强烈加速。
  • 轻球撞上重球几乎传不走能量。弹性碰撞中电子交出的能量比例大约是质量比的两倍——也就是说，一次碰撞只有十万分之四（约0.004%）。电子撞得再多也无法把气体加热。
  • 相反，在打碎分子或使其电离的非弹性碰撞中，电子会一次性把能量交出去。于是能量流向的不是热，而是化学反应。

这就是低温等离子体工艺的全部：不加热整体气体，只把电子弄热，从而只引发化学反应——正因如此，才能在玻璃基板上以250~400℃的水平成膜。实际放电中电子的能量分布并非单一数值而是分布得很宽，用探针测量该分布并与工艺条件相对照，是等离子体诊断的基本工作（"Langmuir probe diagnostics of electron energy distributions with optical emission spectroscopy in capacitively coupled rf discharge in nitrogen," J. Appl. Phys. 110 (2011)）。

产生等离子体的方法

点燃等离子体的方式分成几条路。

  • 直流放电——在两个电极之间加直流电压引发放电。结构简单，但无法处理绝缘体——因为表面积累电荷会使放电停止。
  • 射频放电（电容耦合）——使用高频电力。工业标准频率是13.56MHz，这是国际上分配给工业·科学·医疗用途的频段（ISM radio band）。它之所以固定下来，理由极为现实：它不是通信频段，因此电波干扰的管制较宽松。由于电压极性不断反转，绝缘体表面也不会积累电荷，从而可以进行绝缘膜的沉积与刻蚀。
  • 高密度等离子体——用电感耦合（ICP）、微波、ECR、螺旋波等方式大幅提高等离子体密度。它能在降低电子温度的同时提高密度，因此损伤小、均匀性好。用磁场使电子共振、在极低压力下也能形成致密等离子体的ECR方式是其代表（"Very-low-pressure deposition by electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition method," J. Appl. Phys. 67, 6281 (1990)）。
方式功率耦合等离子体密度离子能量控制特性
直流放电直流电极低与所加电压纠缠结构简单，绝缘体不可用
射频电容耦合（CCP）平行平板电极中等由自偏压决定——与密度纠缠可做绝缘膜，通用
ICP·ECR等高密度线圈·微波（＋独立基板偏压）高与密度解耦，独立控制低压·低损伤·均匀性好

表格右侧两栏概括了高密度等离子体出现的理由。在电容耦合方式中，提高功率会让密度与离子能量一起上升，也就是说做不出"反应活跃、但离子温柔"的组合。把等离子体生成与基板偏压分成两个独立电源，这道枷锁就解开了。

射频放电中还有一个现象值得记住。电子比离子轻得多也快得多，因此到达电极的数量更多。结果电极带负电，产生自偏压（DC self-bias），在等离子体与电极之间形成电位差。这个电位差把离子拉向基板——在沉积中用来提高膜的致密度，在刻蚀中则成为沿垂直方向切削的力（第14·15篇会再见到）。

双刃剑——等离子体损伤

等离子体并非万能。带有20eV以上高能量的离子撞击基板时，可能给膜造成损伤。用前面的换算，20eV相当于约23万K的动能，足以打断硅晶格的键。而且反应发生在低温下，副产物气体会以不完全的状态排出，给排气系统带来负担。

因此不同工艺方式在损伤·密度·均匀性上的平衡点各不相同。直流方式是低温·中等损伤，射频电容耦合是中等密度，而ICP·ECR这类高密度等离子体给出低电子温度·高密度·极低损伤·良好均匀性。舞台装置是按目的挑选着用的。

常见误解

  • "真空是什么都没有的空间"——不对。如表所示，即便是10⁻⁶ Torr的"高真空"，每1cm³仍有330亿个分子。真空不是"空不空"的问题，而是剩下的分子会碍多大的事的问题。
  • "真空度越高越好"——不对。溅射需要维持等离子体的气体，因此反而要特意回升到mTorr量级。目标真空度不是"尽可能低"，而是"符合工艺所要求的λ"。
  • "等离子体是热的"——太阳和电弧确实如此，但工艺用低温等离子体的气体温度只有数百K。热的只有电子，而电子质量太小，做不出手能感到的温度。
  • "只要加大泵的容量就抽得快"——抽速往往不是由泵而是由管路的流导决定的。在高真空下分子会撞壁随机往返，因此管路细或长时，无论装多大的泵，也只能按那个咽喉的宽度抽。

现场在盯什么——三个管理要点

  • 极限真空度与泄漏——腔室是否降到目标压力，以及能否维持该压力。关闭泵后测量压力上升速率（升率），就能把泄漏与放气区分开来诊断。细微的泄漏会直接表现为膜的杂质。
  • 等离子体稳定性——所加功率、反射波、压力一旦晃动，膜的厚度·应力·组成也会跟着晃。尤其反射波同时映照匹配电路与腔室状态，因此每一批都要记录并作为趋势来看。
  • 腔室洁净度——积在壁上的沉积物某一刻会掉下来变成颗粒。定期的腔室清洗（含等离子体清洗）与部件更换周期管理，就等于良率管理。

舞台与演员都准备好了。下一篇（第10篇）我们来看在这个舞台上上演的第一场演出——用溅射堆起金属布线。

参考资料

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