磁控溅射功率对二元氧化物中低浓度杂质的影响：基于ToF-ERDA的表征研究

本研究针对半导体器件制造中氢杂质对氧化物薄膜性能的负面影响，通过ToF-ERDA（飞行时间弹性反冲探测分析）技术系统探究了磁控溅射功率密度与氢浓度变化的线性关系。研究发现提高溅射功率可显著降低SiO2 、TiO2 等二元氧化物中氢含量（0.379 at.%→0.306 at.%），为工业制备低污染薄膜提供了定量调控依据。

　　

在半导体工业中，氢杂质就像潜伏的"隐形杀手"——它们会悄然改变氧化物晶格的电导率、扭曲光学带隙，甚至与掺杂剂结合形成"性能破坏者"。尽管业界对水分和碳污染的控制已精确到万亿分之一（ppt）级别，但氢在薄膜中的行为规律却长期处于"数据荒漠"状态。更棘手的是，现有研究仅聚焦于非晶硅（a-SiC:H）等特定材料，对广泛应用于光伏和微电子的二元金属氧化物（如TiO₂
、SiO₂
）几乎无人涉足。这种认知空白直接制约着半导体器件性能的进一步提升。

来自斯洛伐克的研究团队在《Vacuum》发表的研究打破了这一僵局。他们采用飞行时间弹性反冲探测分析（Time of Flight Elastic Recoil Detection Analysis, ToF-ERDA）这一"原子级显微镜"，首次系统揭示了磁控溅射功率与氢杂质浓度的定量关系。研究团队选择银、硅、钛、铜四种工业级高纯（99.999%）靶材，在严格控制的基压（5×10^?7
mbar）条件下进行直流磁控溅射，通过功率密度梯度实验（200-300W）模拟真实生产环境，避免人为引入额外变量。

主要技术方法
研究采用直流磁控溅射制备薄膜，通过ToF-ERDA实现纳米级深度剖面分析（检测限0.02 at.%），重点监测氢、碳杂质浓度变化。实验设计保持气压、温度等参数恒定，仅调节功率密度以观察自然沉积过程中的本征污染。样本包括AgO_x
、SiO_x
、TiO_x
和CuO_x
四种非化学计量氧化物，覆盖光伏、传感等工业应用场景。

硅氧化物研究结果
当硅靶功率从200W提升至300W时，氢浓度呈现显著线性下降（r=0.903），从0.379 at.%降至0.306 at.%（图2）。这种变化与金属/氧化物比例变化同步发生，证明功率增加既能促进金属沉积又有效抑制氢掺入。

结论与意义
该研究首次建立溅射功率与氢杂质的普适性调控模型：①所有测试氧化物均呈现功率-氢浓度负相关；②每增加1W/cm²
功率密度，氢含量平均降低0.02-0.05 at.%；③该规律适用于p型（AgO_x
）和n型（TiO_x
）半导体。这一发现为半导体工业提供了"功率调节旋钮"——通过简单调整溅射参数即可实现ppm级氢控制，无需复杂后处理。研究采用的"工业复制"策略（未刻意净化本底真空）更使成果能直接移植到生产线，对提升薄膜晶体管、光催化剂等器件性能具有即时应用价值。