薄膜沉積工藝技術介紹

薄膜沉積是在半導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，半導體多晶硅、金屬銅等。從半導體芯片制作工藝流程來說，位于前道工藝中。

隨著集成電路的發展，晶圓制造工藝不斷精細化，芯片結構的復雜度也在不斷提高，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)和化學氣相沉積（CVD），其中CVD工藝設備占比更高。

物理氣相沉積（PVD）

物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)技術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，物理氣相沉積是主要的表面處理技術之一。

PVD(物理氣相沉積)鍍膜技術主要分為三類：真空蒸發鍍膜、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。

相應的真空鍍膜設備包括真空蒸發鍍膜機、真空濺射鍍膜機和真空離子鍍膜機。隨著沉積方法和技術的提升，物理氣相沉積技術不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導體、聚合物膜等。

PVD的優點

高純度和高質量薄膜：在高真空環境下沉積，減少雜質和污染，保證薄膜純度。

良好的薄膜均勻性：通過精確控制工藝參數，獲得均勻性好、厚度一致的薄膜。

高附著力和致密性：離子鍍和濺射技術可以增強薄膜的附著力和致密性。

PVD的應用

· 電子和半導體工業 ——————

金屬互連層：用于集成電路中的鋁、銅等金屬互連層，提供導電路徑。

阻擋層和擴散層：如氮化鈦（TiN）用于阻擋金屬原子擴散，提高器件穩定性。

薄膜電阻和電容：用于制造精密的薄膜電阻和電容器。

·光電子和光學工業——————

抗反射涂層：用于眼鏡、攝像頭和太陽能電池的抗反射涂層，提高透光率。

反射涂層：用于反射鏡、激光器和光學儀器中的高反射涂層。

濾光片：用于光通信和光學傳感器的濾光片，調控光波長和透過率。

·機械和工具工業——————

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、模具和機械零部件，提高耐磨性和使用壽命。

防腐蝕涂層：用于化工設備和海洋環境中的防腐蝕涂層，延長使用壽命。

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

·生物醫學——————

生物相容性涂層：用于醫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：用于制造納米級藥物輸送載體，實現藥物的控制釋放和靶向輸送。

·能源和環境——————

太陽能電池：用于沉積透明導電薄膜、緩沖層和吸收層，提高光電轉換效率。

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極和磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極材料。

化學氣相沉積(CVD)

在真空高溫條件下將兩種以上氣態或液態反應劑蒸汽引入反應室，在晶圓表面發生化學反應，形成一種新的材料并沉積。

目前CVD市場占比最高且仍在不斷迭代。

根據反應條件（壓強、前驅體）的不同又分為常壓CVD（APCVD）、低壓CVD（LPCVD）、等離子體增強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

常壓化學氣相沉積（AP-CVD），是指在大氣壓及 400~800℃ 下溫度進行反應，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

等離子增強化學氣相沉積（PE-CVD），是用于 28~90nm 工藝中沉積介質絕緣層和半導體材料的主流工藝設備。其優點是沉積溫度更低、薄膜純度和密度更高，沉積速率更快，適用于大多數主流介質薄膜。

PECVD 主要沉積過程

相比傳統的AP-CVD、LP-CVD設備，PE-CVD設備已成為芯片制造薄膜沉積工藝中運用最廣泛的設備類型。

應用

CVD技術因其在不同材料和薄膜制備中的靈活性和高效性，在多個領域都發揮著關鍵作用。

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族半導體材料，如氮化鎵（GaN）和砷化鎵（GaAs）。

光伏電池：在太陽能電池的制造中，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，減少光學元件表面的反射，提高光學性能。

濾光片和波導：在光學通信中，CVD用于制造濾光片和光波導等器件，提高信號傳輸效率。

生物相容性涂層：CVD技術用于在醫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。

微機電系統（MEMS）：CVD用于制造MEMS器件中的結構材料和功能薄膜，如多晶硅和氮化硅。

化學氣相沉積(ALD)

原子層沉積技術（Atomic Layer Deposition，簡稱ALD）是一種將物質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，芬蘭材料物理學家Tuomo Suntola開發了這項技術，并獲得百萬歐元千禧技術獎。ALD技術最初用于平板電致發光顯示器，但并未得到廣泛應用。直到21世紀初，ALD技術開始被半導體行業采用，通過制造超薄高介質材料取代傳統氧化硅，成功解決了場效應晶體管因線寬縮小而引起的漏電流難題，促使摩爾定律進一步向更小線寬發展。Tuomo Suntola博士曾表示，ALD可顯著增加組件的集成密度。

ALD優點：成膜均勻性好、致密無孔洞、臺階覆蓋特性好、可在低溫進行（室溫—400℃）、可簡單精確控制薄膜厚度、廣泛適用于不同形狀的基底、無需控制反應物流量均勻性。

ALD缺點：成膜速度較慢。如用于生產納米結構的絕緣體(Al2O3/TiO2)和薄膜電致發光顯示器（TFEL）的硫化鋅(ZnS)發光層。

相比傳統的化學氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD，ALD的優勢在于成膜具備優異的三維保形性、大面積成膜均勻性，以及精確的厚度控制等，適用于在復雜的形狀表面和高深寬比結構中生長超薄薄膜。

目前隨著45nm以下制程的產線數量增多，尤其是28nm及以下工藝的產線，對鍍膜厚度和精度控制的要求更高，以及元器件逐步呈現高密度、高深寬比結構，薄膜沉積技術在整個半導體行業內占據愈發重要角色。

主要參考文章：

1.矢量科學丨PECVD/LPCVD/ALD設備的原理和應用，矢量科學_王雨，知乎。

2.LPCVD 與 PECVD 氮化硅波導，Austin_Zhu，知乎。

3.化學氣相沉積（CVD）的分類、特點以及應用，HarBour Srmi。

4.百度百科。