薄膜沉積工藝技術(shù)介紹

薄膜沉積是在半導(dǎo)體的主要襯底材料上鍍一層膜。這層膜可以有各種各樣的材料，比如絕緣化合物二氧化硅，半導(dǎo)體多晶硅、金屬銅等。從半導(dǎo)體芯片制作工藝流程來說，位于前道工藝中。

隨著集成電路的發(fā)展，晶圓制造工藝不斷精細(xì)化，芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也在不斷提高，需要在更微小的線寬上制造。制造商要求制備的薄膜品種也隨之增加，對(duì)薄膜性能的要求也在日益提高。

薄膜制備工藝按照其成膜方法可分為兩大類：

物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積（CVD），其中CVD工藝設(shè)備占比更高。

物理氣相沉積（PVD）

物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)技術(shù)是指在真空條件下采用物理方法將材料源（固體或液體）表面氣化成氣態(tài)原子或分子，或部分電離成離子，并通過低壓氣體（或等離子體）過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)，物理氣相沉積是主要的表面處理技術(shù)之一。

PVD(物理氣相沉積)鍍膜技術(shù)主要分為三類：真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。

物理氣相沉積的主要方法有：真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍膜、離子鍍膜和分子束外延等。

相應(yīng)的真空鍍膜設(shè)備包括真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)、真空濺射鍍膜機(jī)和真空離子鍍膜機(jī)。隨著沉積方法和技術(shù)的提升，物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。

PVD的優(yōu)點(diǎn)

高純度和高質(zhì)量薄膜：在高真空環(huán)境下沉積，減少雜質(zhì)和污染，保證薄膜純度。

良好的薄膜均勻性：通過精確控制工藝參數(shù)，獲得均勻性好、厚度一致的薄膜。

高附著力和致密性：離子鍍和濺射技術(shù)可以增強(qiáng)薄膜的附著力和致密性。

PVD的應(yīng)用

· 電子和半導(dǎo)體工業(yè) ——————

金屬互連層：用于集成電路中的鋁、銅等金屬互連層，提供導(dǎo)電路徑。

阻擋層和擴(kuò)散層：如氮化鈦（TiN）用于阻擋金屬原子擴(kuò)散，提高器件穩(wěn)定性。

薄膜電阻和電容：用于制造精密的薄膜電阻和電容器。

·光電子和光學(xué)工業(yè)——————

抗反射涂層：用于眼鏡、攝像頭和太陽(yáng)能電池的抗反射涂層，提高透光率。

反射涂層：用于反射鏡、激光器和光學(xué)儀器中的高反射涂層。

濾光片：用于光通信和光學(xué)傳感器的濾光片，調(diào)控光波長(zhǎng)和透過率。

·機(jī)械和工具工業(yè)——————

耐磨涂層：如氮化鈦（TiN）、碳化鈦（TiC）和類金剛石碳（DLC）涂層，用于刀具、模具和機(jī)械零部件，提高耐磨性和使用壽命。

防腐蝕涂層：用于化工設(shè)備和海洋環(huán)境中的防腐蝕涂層，延長(zhǎng)使用壽命。

裝飾性涂層：用于鐘表、珠寶、手機(jī)外殼和眼鏡框的裝飾性涂層，提供美觀的外觀和耐磨性。

·生物醫(yī)學(xué)——————

生物相容性涂層：用于醫(yī)療器械和植入物的生物相容性涂層，如鈦和氮化鈦，提高生物相容性和耐腐蝕性。

藥物輸送系統(tǒng)：用于制造納米級(jí)藥物輸送載體，實(shí)現(xiàn)藥物的控制釋放和靶向輸送。

·能源和環(huán)境——————

太陽(yáng)能電池：用于沉積透明導(dǎo)電薄膜、緩沖層和吸收層，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

燃料電池和電池：用于制備高性能電極材料，如鋰離子電池中的硅基陽(yáng)極和磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極材料。

化學(xué)氣相沉積(CVD)

在真空高溫條件下將兩種以上氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)劑蒸汽引入反應(yīng)室，在晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料并沉積。

目前CVD市場(chǎng)占比最高且仍在不斷迭代。

根據(jù)反應(yīng)條件（壓強(qiáng)、前驅(qū)體）的不同又分為常壓CVD（APCVD）、低壓CVD（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)、高密度等離子體CVD（HDPCVD）和原子層沉積（ALD）。

常見 CVD 包括以下三種

1.APCVD

常壓化學(xué)氣相沉積（AP-CVD），是指在大氣壓及 400~800℃ 下溫度進(jìn)行反應(yīng)，用于制備單晶硅、多晶硅、二氧化硅、摻雜 SiO2等薄膜。

2.LPCVD

低壓化學(xué)氣相沉積（LP-CVD），是指用于 90nm 以上工藝中 SiO2和PSG/BPSG、氮氧化硅、多晶硅、Si3N4等薄膜制備。

3.PECVD

等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PE-CVD），是用于 28~90nm 工藝中沉積介質(zhì)絕緣層和半導(dǎo)體材料的主流工藝設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是沉積溫度更低、薄膜純度和密度更高，沉積速率更快，適用于大多數(shù)主流介質(zhì)薄膜。

PECVD 主要沉積過程

相比傳統(tǒng)的AP-CVD、LP-CVD設(shè)備，PE-CVD設(shè)備已成為芯片制造薄膜沉積工藝中運(yùn)用最廣泛的設(shè)備類型。

應(yīng)用

CVD技術(shù)因其在不同材料和薄膜制備中的靈活性和高效性，在多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

薄膜沉積：CVD用于沉積各種薄膜，如非晶硅、多晶硅、氮化硅（Si3N4）、二氧化硅（SiO2）等。

LED和激光器：CVD用于制造LED和激光器中的III-V族半導(dǎo)體材料，如氮化鎵（GaN）和砷化鎵（GaAs）。

光伏電池：在太陽(yáng)能電池的制造中，CVD用于沉積薄膜，如硅薄膜和氧化鋅（ZnO）等，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

耐磨涂層：CVD用于沉積金剛石、立方氮化硼（c-BN）等超硬涂層，提高工具、模具和機(jī)械零部件的耐磨性和使用壽命。

防腐蝕涂層：通過CVD可以沉積耐腐蝕涂層，如氮化鈦（TiN）和碳化鈦（TiC），用于保護(hù)金屬表面免受腐蝕。

抗反射涂層：CVD用于制備抗反射涂層，減少光學(xué)元件表面的反射，提高光學(xué)性能。

濾光片和波導(dǎo)：在光學(xué)通信中，CVD用于制造濾光片和光波導(dǎo)等器件，提高信號(hào)傳輸效率。

生物相容性涂層：CVD技術(shù)用于在醫(yī)療器械和植入物表面沉積生物相容性涂層，如氮化鈦和氧化鋯（ZrO2），以提高生物相容性和耐用性。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）：CVD用于制造MEMS器件中的結(jié)構(gòu)材料和功能薄膜，如多晶硅和氮化硅。

化學(xué)氣相沉積(ALD)

原子層沉積技術(shù)（Atomic Layer Deposition，簡(jiǎn)稱ALD）是一種將物質(zhì)以單原子層形式逐層在基底表面形成薄膜的真空鍍膜工藝。

早在1974年，芬蘭材料物理學(xué)家Tuomo Suntola開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)，并獲得百萬(wàn)歐元千禧技術(shù)獎(jiǎng)。ALD技術(shù)最初用于平板電致發(fā)光顯示器，但并未得到廣泛應(yīng)用。直到21世紀(jì)初，ALD技術(shù)開始被半導(dǎo)體行業(yè)采用，通過制造超薄高介質(zhì)材料取代傳統(tǒng)氧化硅，成功解決了場(chǎng)效應(yīng)晶體管因線寬縮小而引起的漏電流難題，促使摩爾定律進(jìn)一步向更小線寬發(fā)展。Tuomo Suntola博士曾表示，ALD可顯著增加組件的集成密度。

ALD優(yōu)點(diǎn)：成膜均勻性好、致密無(wú)孔洞、臺(tái)階覆蓋特性好、可在低溫進(jìn)行（室溫—400℃）、可簡(jiǎn)單精確控制薄膜厚度、廣泛適用于不同形狀的基底、無(wú)需控制反應(yīng)物流量均勻性。

ALD缺點(diǎn)：成膜速度較慢。如用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的絕緣體(Al2O3/TiO2)和薄膜電致發(fā)光顯示器（TFEL）的硫化鋅(ZnS)發(fā)光層。

相比傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD，ALD的優(yōu)勢(shì)在于成膜具備優(yōu)異的三維保形性、大面積成膜均勻性，以及精確的厚度控制等，適用于在復(fù)雜的形狀表面和高深寬比結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)超薄薄膜。

目前隨著45nm以下制程的產(chǎn)線數(shù)量增多，尤其是28nm及以下工藝的產(chǎn)線，對(duì)鍍膜厚度和精度控制的要求更高，以及元器件逐步呈現(xiàn)高密度、高深寬比結(jié)構(gòu)，薄膜沉積技術(shù)在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)占據(jù)愈發(fā)重要角色。

主要參考文章：

1.矢量科學(xué)丨PECVD/LPCVD/ALD設(shè)備的原理和應(yīng)用，矢量科學(xué)_王雨，知乎。

2.LPCVD 與 PECVD 氮化硅波導(dǎo)，Austin_Zhu，知乎。

3.化學(xué)氣相沉積（CVD）的分類、特點(diǎn)以及應(yīng)用，HarBour Srmi。

4.百度百科。