磁控溅射沉积铬薄膜时，表面常出现周期性同心圆明暗条纹，内部应力分布亦呈环状，这种缺陷源于圆形磁控靶的刻蚀槽形成环形发射源，导致高能粒子在低气压下以准弹道方式输运至衬底，造成径向能量输入不均，且铬在室温沉积时表面扩散极弱，高能中性氩原子的轰击进一步引入非均匀压应力，最终驱动硅片发生穹顶弯曲并呈现牛顿环干涉图样。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究提出提升工作气压以增强溅射粒子与背景气体的碰撞频率，削弱粒子流的方向性和动能，同时引入双靶共焦正对溅射，利用两股粒子流的空间叠加与碰撞重叠抹平沉积通量的径向梯度，从而消除同心圆条纹，实现全场应力均匀化。

实验方法

单靶与双靶材共溅射工作靶位俯视图（标红）

实验设备：采用多靶磁控溅射镀膜系统。设备配备4个对称布局的靶枪，直流和射频电源各两个，可相互切换。靶枪与工件台夹角约45°，工件台转速0-10 r/min可调，可满足200 mm样品的沉积需求。抽气通道口与工作气体入口采用对称设计，通过平衡腔体气流减少气体分布不均导致的等离子体分布不均，提升薄膜均匀性。

实验耗材：准备3片清洗干净的200 mm P型（100）单面抛光单晶硅片用于应力测试。溅射使用100 mm纯度99.999%的铬靶材。

薄膜样品制备：硅片传入工艺腔前，先用应力仪测试其初始曲率分布图并保存数据。制备了三类典型样品：

样品A：本底真空1.0×10⁻⁴ Pa，单靶直流溅射功率400 W，Ar流量20 SCCM，工作气压0.15 Pa，靶基距约12 cm，工件台转速6 r/min，预溅射3 min，溅射10 min，工件台不加热。

样品B：本底真空与功率同实验一，Ar流量增至60 SCCM，工作气压0.40 Pa，溅射10 min。

样品C：在实验二气压基础上，改为双靶共焦正对直流溅射，溅射5 min。

每次沉积时放置陪片测试薄膜厚度。

检测与表征：采用探针式台阶仪测得A、B、C三样品陪片铬膜厚度分别为202 nm、205 nm、199 nm。激光显微系统测表面形貌，应力仪测量应力分布。

样品表面纹理测试

PSI测量样品A表面形貌图

样品A（0.15 Pa）表面呈现清晰的周期性同心圆明暗条纹，属于牛顿环等厚干涉图样。原因是薄膜内非均匀应力场使硅片发生穹顶弯曲，弯曲表面与干涉仪参考镜间形成空气劈尖，产生干涉条纹。条纹密度反映局部弯曲程度，越密则应力梯度越大。低气压下粒子碰撞少，动能高、方向性强，能量输入极不均匀。

PSI测量样品B表面形貌图

样品B（0.40 Pa）条纹对比度和清晰度明显降低。计算表明，气压从0.15 Pa升至0.40 Pa时，Ar原子平均自由程从53.5 mm降至20.1 mm。Knudsen数（Kn=λ/L，L=120 mm）从0.446降至0.167。前者处于过渡流并偏向自由分子流，粒子平均碰撞不到2次，呈“准弹道输运”，靶面刻蚀槽的环状发射特征被“保真”投射到衬底，形成应力环。后者碰撞频率大增（约6次），动能衰减、方向随机化，轰击效应减弱。

PSI测量样品C表面形貌图

样品C（0.40 Pa双靶）表面条纹基本消失，形貌平整均匀。双靶共焦溅射使两股粒子流在空间叠加和碰撞，进一步打散了原有环状通量分布，抹平了局部沉积差异。

薄膜样品应力测试

台阶仪测得 A，B，C 三样品陪片的铬膜厚度约为 202 nm，205 nm，199 nm。将仪

器设定恒温 26℃，避免热漂移干扰影响测量精度。调用沉积铬膜前 A、B、C 硅片初始

曲率分布图，并输入样品沉积铬膜的厚度。将待测样品分别利用定位销精确定位，仪器

设定自动切换 650 nm 与 780 nm 双波段激光进行Map全场扫描。

样品A的应力分布结果

样品A应力分布极不均匀，呈明显环状高应力区，峰值达407 MPa。这源于磁控靶的“刻蚀槽”效应和“原子喷丸”效应。刻蚀槽是环形发射源，靶基距与槽半径的几何关系决定了沉积通量的径向分布。45°倾斜溅射下，尽管工件台旋转使近远端通量有所平均，但边缘与中心的差异无法消除，这是应力梯度的几何源头。铬熔点高（2180 K），室温沉积时表面扩散极弱。溅射中，部分Ar⁺在靶面被中和反射为高能中性Ar原子，轰击生长表面，将原子敲入晶格间隙，造成晶格膨胀和压应力。刻蚀槽发射的高能粒子在不同径向位置轰击强度不同：近靶区通量大、入射角小，压应力大；远靶区入射角增大、自阴影效应增强，压应力小。这种径向能量梯度直接映射为应力环。

样品B的应力分布结果

样品B最高应力降至220 MPa，环状分布模糊。高压下粒子碰撞增多，原子喷丸效应被削弱。

样品C的应力分布结果

样品C最大应力仅131 MPa，环状特征基本消失。双靶共溅射改变了单一环形源模式，两股粒子流的空间叠加和碰撞重叠抹平了径向能量梯度，实现应力均匀化。

本研究证实了磁控溅射 Cr 薄膜表面的同心圆条纹本质上是由于环状非均匀应力场驱动衬底形变而形成的干涉图样。通过提高工作气压，利用背景气体对溅射粒子的散射作用，可初步缓解高能粒子轰击引起的局部应力积累。在此基础上引入双靶共焦正对溅射技术，通过多粒子流的空间线性叠加与碰撞重叠，进一步抹平了沉积通量的径向梯度。最终，优化工艺成功消除了薄膜的应力环缺陷，实现了全场应力分布的高度均匀化，为磁控溅射工艺中的应力调控提供了有效解决方案。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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原文参考：《消除磁控溅射Cr薄膜应力环状缺陷的工艺优化》