薄膜制备是材料科学研究的基础能力。2024-2025年，国内高校在磁控溅射、CMP、PZT薄膜等领域的研究从”能不能做”转向”做得好不好”，这背后反映的是工艺控制能力的提升。
一、磁控溅射的技术分层
HiPIMS的兴起
高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）相比传统DC磁控溅射的核心优势在于等离子体密度可达10¹⁸-10¹⁹ m⁻³，比传统方法高1-2个数量级。
这带来什么实际好处？
- 薄膜致密度提升30%以上
- 表面粗糙度降低至1nm以下
- 附着力显著改善
2025年1月的综述指出，HiPIMS在硬质涂层和功能薄膜领域应用前景广阔，但高校普及率仍然较低，主要原因是设备成本高、工艺窗口窄。
多靶共溅的工艺挑战
高校在制备多元合金、梯度薄膜时普遍采用多靶共溅射工艺，但面临几个实际问题：
均匀性控制：不同靶材的溅射速率差异大，需要精确控制各靶功率比。以Cu-Zr合金为例，Cu的溅射速率是Zr的2-3倍，功率配比需要反复调试。
交叉污染：靶材间距不足时，交叉污染会影响薄膜纯度。Cluster式设备可以缓解这个问题，但成本显著增加。
原位监测：椭圆偏振仪、膜厚监测等原位检测手段在高校配置率不高，多数依赖离线检测反馈，工艺开发周期长。
二、PZT薄膜的工程化难题
PZT（锆钛酸铅）压电薄膜在MEMS传感器、执行器中有重要应用，但高校研究到工程化应用之间存在明显鸿沟。
工艺一致性
PZT薄膜的铁电性能对工艺参数极其敏感：
| 参数 | 典型值 | 影响 | |——|——–|——| | 基片温度 | 600-700°C | 影响结晶度 | | 氧氩比 | 1:4 – 1:9 | 影响化学计量比 | | 溅射压力 | 0.5-2 Pa | 影响薄膜应力 | | 退火温度 | 650-750°C | 影响铁电畴 |
北京理工大学、广东工业大学等团队在PZT薄膜工艺上积累了较多经验，但不同实验室之间的工艺重现性仍然是个问题。
集群设计的价值
ULVAC SME-200采用多边型cluster腔体设计，核心优势在于：
- 膜厚均匀性可达±2%（8英寸）
- 可配置BUFFER腔室和快速退火腔室
- 适合量产型工艺开发
对高校而言，这类设备采购成本高，但对于目标明确的应用型研究（如PZT超声换能器、能量收集器），投入是值得的。
三、CMP：从抛光到材料去除
精度与成本的平衡
CMP在高校中的主要应用场景包括：
- 晶圆减薄后的抛光
- TSV露出后的平坦化
- 异质集成中的表面处理
河北工业大学等高校在SiC、GaN等硬质材料的CMP工艺上取得了进展，但工艺成本仍然较高——一片2英寸SiC衬底的CMP抛光液成本可达数百元。
设备选型要点
TSD TMP-150A/200A这类CMP设备在高校中有一定保有量，选型时需要考虑：
- 压头自转+摆动设计：影响抛光均匀性
- 红外测温系统：保证抛光盘温度恒定
- 摩擦力监控：用于终点检测
对高校而言，4英寸设备性价比最高，既能满足大部分研究需求，设备成本又相对可控。
四、电镀技术的集成价值
µGalv晶圆电镀系统在先进封装研究中不可或缺，主要体现在：
- TSV填充：深孔电镀的均匀性和空洞控制
- RDL制备：高线宽/线距控制
- 凸块制备：Cu柱、Au凸块等
西安电子科技大学、上海交通大学等在电镀工艺研究上较深入，尤其是脉冲电镀在改善填充均匀性方面的应用。
五、技术演进方向
原子层沉积（ALD）
ALD可以实现亚纳米级厚度控制，在栅极介质、阻挡层等领域不可替代。但高校ALD设备保有量仍然较低，主要原因是设备成本高、沉积速率慢。
复合工艺
单一工艺难以满足复杂器件需求，溅射+ALD、CVD+电镀等复合工艺越来越常见。这对设备集成度和工艺开发能力提出了更高要求。
结语
薄膜制备从”能做”到”做好”的转变，本质上是工艺控制能力的提升。设备是基础，但真正的竞争力在于对材料-工艺-性能关系的深入理解。
国内高校在这一领域的研究正在快速进步，但与国际顶尖水平相比，在原创工艺、工程化能力上仍有差距。缩短这个差距，需要更多的基础研究投入和产业经验积累。
