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          12種化學(xué)氣相沉積(CVD) 一定有你不知道的

          發(fā)布時(shí)間:2023-12-19
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          CVD(化學(xué)氣相沉積)是半導體工業(yè)中應用最為廣泛的用來(lái)沉積多種材料的技術(shù),包括大范圍的絕緣材料,大多數金屬材料和金屬合金材料。


          從理論上來(lái)說(shuō),它是很簡(jiǎn)單的:兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導入到一個(gè)反應室內,然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應,形成一種新的材料,沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個(gè)很好的例子,它是由硅烷和氮反應形成的。

          化學(xué)氣相沉積法是傳統的制備薄膜的技術(shù),其原理是利用氣態(tài)的先驅反應物,通過(guò)原子、分子間化學(xué)反應,使得氣態(tài)前驅體中的某些成分分解,而在基體上形成薄膜?;瘜W(xué)氣相沉積包括常壓化學(xué)氣相沉積、等離子體輔助化學(xué)沉積、激光輔助化學(xué)沉積、金屬有機化合物沉積等。不過(guò)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,CVD技術(shù)也不斷推陳出新,出現了很多針對某幾種用途的專(zhuān)門(mén)技術(shù),在此特為大家盤(pán)點(diǎn)介紹一些CVD技術(shù)。




          • 等離子體增強化學(xué)氣相沉積

          等離子體增強化學(xué)氣相沉積是在化學(xué)氣相沉積中,激發(fā)氣體,使其產(chǎn)生低溫等離子體,增強反應物質(zhì)的化學(xué)活性,從而進(jìn)行外延的一種方法。該方法可在較低溫度下形成固體膜。例如在一個(gè)反應室內將基體材料置于陰極上,通入反應氣體至較低氣壓(1~600Pa),基體保持一定溫度,以某種方式產(chǎn)生輝光放電,基體表面附近氣體電離,反應氣體得到活化,同時(shí)基體表面產(chǎn)生陰極濺射,從而提高了表面活性。在表面上不僅存在著(zhù)通常的熱化學(xué)反應,還存在著(zhù)復雜的等離子體化學(xué)反應。沉積膜就是在這兩種化學(xué)反應的共同作用下形成的。激發(fā)輝光放電的方法主要有:射頻激發(fā),直流高壓激發(fā),脈沖激發(fā)和微波激發(fā)。


          等離子體增強化學(xué)氣相沉積的主要優(yōu)點(diǎn)是沉積溫度低,對基體的結構和物理性質(zhì)影響??;膜的厚度及成分均勻性好;膜組織致密、針孔少;膜層的附著(zhù)力強;應用范圍廣,可制備各種金屬膜、無(wú)機膜和有機膜。


          • 熱絲化學(xué)氣相沉積

          熱絲CVD采用高溫下的低壓氣相沉積,碳氫化合物在高溫下發(fā)生化學(xué)反應,生成膜先驅物,當樣品溫度合適時(shí),這些膜先驅物在樣品表面沉積形成金剛砂膜。低壓化學(xué)氣相沉積形成的膜層厚度及成分較為均勻,膜層致密。


          CVD化學(xué)氣相沉積的基本特征為:

          產(chǎn)生化學(xué)變化(化學(xué)反應或熱分解);

          膜中所有材料都來(lái)源于外部的源;

          反應物必須以氣相形式參與反應。


          熱絲CVD的基本化學(xué)反應為加熱分解化合物(化學(xué)鍵斷裂),及光分解(利用輻射能使化合物化學(xué)鍵斷裂)。燈絲(鎢絲或鉭絲)通電后加熱到2000攝氏度,氣體(氫氣,甲烷)傳輸至燈絲處,分解形成碳氫活性集團,黏附擴散至樣片附近,當樣品溫度在600-1000攝氏度時(shí),碳氫活性集團發(fā)生反應形成晶核,晶核形成島狀物,島狀物形成連續膜層,反應副產(chǎn)物脫離樣片表面,流出生長(cháng)室。

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          • 高密度等離子體化學(xué)氣相淀積

          HDP-CVD 是一種利用電感耦合等離子體 (ICP) 源的化學(xué)氣相沉積設備,是一種越來(lái)越受歡迎的等離子體沉積設備。HDP-CVD(也稱(chēng)為ICP-CVD)能夠在較低的沉積溫度下產(chǎn)生比傳統PECVD設備更高的等離子體密度和質(zhì)量。此外,HDP-CVD 提供幾乎獨立的離子通量和能量控制,提高了溝槽或孔填充能力。但是,HDP-CVD 配置的另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢是,它可以轉換為用于等離子體刻蝕的 ICP-RIE。在預算或系統占用空間受限時(shí),優(yōu)勢明顯。

          聽(tīng)起來(lái)可能很奇怪。但是這兩種類(lèi)型的工藝確實(shí)可以在同一個(gè)系統中運行。雖然存在一些內部差異,例如額外的氣體入口,但兩種設備的核心結構幾乎完全相同。


          在HDP CVD工藝問(wèn)世之前,大多數芯片廠(chǎng)普遍采用PECVD進(jìn)行絕緣介質(zhì)的填充。這種工藝對于大于0.8微米的間隔具有良好的填孔效果,然而對于小于0.8微米的間隙,PECVD工藝一步填充具有高的深寬比的間隔時(shí)會(huì )在間隔中部產(chǎn)生夾斷和空洞。在探索如何同時(shí)滿(mǎn)足高深寬比間隙的填充和控制成本的過(guò)程中誕生了HDP CVD工藝,它的突破創(chuàng )新之處在于,在同一個(gè)反應腔中同步地進(jìn)行沉積和刻蝕工藝。


          • 微波等離子化學(xué)氣相沉積

          微波等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MPCVD)適合制備面積大、均勻性好、純度高、結晶形態(tài)好的高質(zhì)量硬質(zhì)薄膜和晶體。MPCVD是制備大尺寸單晶金剛石有效手段之一。該方法利用電磁波能量來(lái)激發(fā)反應氣體。由于是無(wú)極放電,等離子體純凈,同時(shí)微波的放電區集中而不擴展,能激活產(chǎn)生各種原子基團如原子氫等,產(chǎn)生的離子的最大動(dòng)能低,不會(huì )腐蝕已生成的金剛石。


          通過(guò)對MPCVD沉積反應室結構的結構調整,可以在沉積腔中產(chǎn)生大面積而又穩定的等離子體球,因而有利于大面積、均勻地沉積金剛石膜,這一點(diǎn)又是火焰法所難以達到的,因而微波等離子體法制備金剛石膜的優(yōu)越性在所有制備法中顯得十分的突出。


          • 微波電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相沉積

          在MPCVD中為了進(jìn)一步提高等離子體密度,又出現了電子回旋共振MPCVD(Electron Cyclotron Resonance CVD,簡(jiǎn)稱(chēng)ECR-MPCVD)。由于微波CVD在制備金剛石膜中的獨有優(yōu)勢,使得研究人員普遍使用該方法制備金剛石膜,通過(guò)大量的研究,不僅在MPCVD制備金剛石膜的機理上取得了顯著(zhù)的成果,而且用CVD法制備的金剛石膜也廣泛的用于工具、熱沉、光學(xué)、高溫電子等領(lǐng)域的工業(yè)研究與應用。


          • 超高真空化學(xué)氣相沉積

          超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV/CVD)是制備優(yōu)質(zhì)亞微米晶體薄膜、納米結構材料、研制硅基高速高頻器件和納電子器件的關(guān)鍵的先進(jìn)薄膜技術(shù)。


          超高真空化學(xué)氣相沉積技術(shù)發(fā)展于20世紀80年代末,是指在低于10-6 Pa (10-8 Torr) 的超高真空反應器中進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積過(guò)程,特別適合于在化學(xué)活性高的襯底表面沉積單晶薄膜。石墨烯就是可以通過(guò)UHV/CVD生產(chǎn)的材料之一。與傳統的氣相外延不同,UHV/CVD技術(shù)采用低壓和低溫生長(cháng),能夠有效地減少摻雜源的固態(tài)擴散,抑制外延薄膜的三維生長(cháng)。UHV/CVD系統反應器的超高真空避免了Si襯底表面的氧化,并有效地減少了反應氣體所產(chǎn)生的雜質(zhì)摻入到生長(cháng)的薄膜中。


          在超高真空條件下,反應氣分子能夠直接傳輸到襯底表面,不存在反應氣體的擴散及分子間的復雜相互作用,沉積過(guò)程主要取決于氣-固界面的反應。傳統的氣相外延中,氣相前驅物通過(guò)邊界層向襯底表面的擴散決定了外延薄膜的生長(cháng)速率。超高真空使得氣相前驅物分子直接沖擊襯底表面,薄膜的生長(cháng)主要由表面的化學(xué)反應控制。因此,在支撐座上的所有基片(襯底)表面的氣相前驅物硅烷或鍺烷分子流量都是相同的,這使得同時(shí)在多基片上實(shí)現外延生長(cháng)成為可能。


          • 低壓化學(xué)氣相沉積

          低壓化學(xué)氣相沉積法(Low-pressure CVD,LPCVD)的設計就是將反應氣體在反應器內進(jìn)行沉積反應時(shí)的操作壓力,降低到大約133Pa以下的一種CVD反應。LPCVD壓強下降到約133Pa以下,與此相應,分子的自由程與氣體擴散系數增大,使氣態(tài)反應物和副產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸速率加快,形成薄膜的反應速率增加,即使平行垂直放置片子片子的片距減小到5~10mm,質(zhì)量傳輸限制同片子表面化學(xué)反應速率相比仍可不予考慮,這就為直立密排裝片創(chuàng )造了條件,大大提高了每批裝片量。


          以L(fǎng)PCVD法來(lái)沉積的薄膜,將具備較佳的階梯覆蓋能力,很好的組成成份和結構控制、很高的沉積速率及輸出量。再者LPCVD并不需要載子氣體,因此大大降低了顆粒污染源,被廣泛地應用在高附加價(jià)值的半導體產(chǎn)業(yè)中,用以作薄膜的沉積。LPCVD廣泛用于二氧化硅(LTO TEOS)、氮化硅(低應力)(Si3N4)、多晶硅(LP-POLY)、磷硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、摻雜多晶硅、石墨烯、碳納米管等多種薄膜。


          • 熱化學(xué)氣相沉積

          熱化學(xué)氣相沉積(TCVD)是指利用高溫激活化學(xué)反應進(jìn)行氣相生長(cháng)的方法。廣泛應用的TCVD技術(shù)如金屬有機化學(xué)氣相沉積、氯化物化學(xué)氣相沉積、氫化物化學(xué)氣相沉積等均屬于熱化學(xué)氣相沉積的范圍。熱化學(xué)氣相沉積按其化學(xué)反應形式可分成幾大類(lèi):


          (1)化學(xué)輸運法:構成薄膜物質(zhì)在源區與另一種固體或液體物質(zhì)反應生成氣體.然后輸運到一定溫度下的生長(cháng)區,通過(guò)相反的熱反應生成所需材料,正反應為輸運過(guò)程的熱反應,逆反應為晶體生長(cháng)過(guò)程的熱反應。


          (2)熱解法:將含有構成薄膜元素的某種易揮發(fā)物質(zhì),輸運到生長(cháng)區,通過(guò)熱分解反應生成所需物質(zhì),它的生長(cháng)溫度為1000-1050攝氏度。


          (3)合成反應法:幾種氣體物質(zhì)在生長(cháng)區內反應生成所生長(cháng)物質(zhì)的過(guò)程,上述三種方法中,化學(xué)輸運法一般用于塊狀晶體生長(cháng),分解反應法通常用于薄膜材料生長(cháng),合成反應法則兩種情況都用。熱化學(xué)氣相沉積應用于半導體材料,如Si,GaAs,InP等各種氧化物和其它材料。


          • 高溫化學(xué)氣相沉積

          高溫化學(xué)氣相沉積是碳化硅晶體生長(cháng)的重要方法。HTCVD生長(cháng)碳化硅晶體是在密閉的反應器中,外部加熱使反應室保持所需要的反應溫度(2000℃~2300℃)。高溫化學(xué)氣相沉積是在襯底材料表面上產(chǎn)生的組合反應,是一種化學(xué)反應。它涉及熱力學(xué)、氣體輸送及膜層生長(cháng)等方面的問(wèn)題,根據反應氣體、排出氣體分析和光譜分析,其過(guò)程一般分為以下幾步:混合反應氣體到達襯底材料表面;反應氣體在高溫分解并在襯底材料表面上產(chǎn)生化學(xué)反應生成固態(tài)晶體膜;固體生成物在襯底表面脫離移開(kāi),不斷地通入反應氣體,晶體膜層材料不斷生長(cháng)。


          • 中溫化學(xué)氣相沉積

          MTCVD硬質(zhì)涂層工藝技術(shù),在20世紀80年代中期就已問(wèn)世,但在當時(shí)并沒(méi)有引起人們的重視,直到20世紀90年代中期,世界上主要硬質(zhì)合金工具生產(chǎn)公司,利用HTCVD和MTCVD技術(shù)相結合,研究開(kāi)發(fā)出新型的超級硬質(zhì)合金涂層材料,有效地解決了在高速、高效切削、合金鋼重切削、干切削等機械加工領(lǐng)域中,刀具使用壽命低的難高強度題才引起廣泛的重視。目前,已在涂層硬質(zhì)合金刀具行業(yè)投入生產(chǎn)應用,效果十分顯著(zhù)。


          MTCVD技術(shù)沉積工藝如下。沉積溫度:700~ 900℃;沉積反應壓力:2X103~2X104Pa;主要反應氣體配比:CH3CN:TiCl4:H2=0.01:0.02:1;沉積時(shí)間:1一4h。


          • 金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積

          MOCVD是在氣相外延生長(cháng)(VPE)的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(cháng)技術(shù)。MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長(cháng)源材料,以熱分解反應方式在襯底上進(jìn)行氣相外延,生長(cháng)各種Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常MOCVD系統中的晶體生長(cháng)都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應室中進(jìn)行,襯底溫度為500-1200℃,用直流加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方),H2通過(guò)溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長(cháng)區。


          MOCVD適用范圍廣泛,幾乎可以生長(cháng)所有化合物及合金半導體,非常適合于生長(cháng)各種異質(zhì)結構材料,還可以生長(cháng)超薄外延層,并能獲得很陡的界面過(guò)渡,生長(cháng)易于控制,可以生長(cháng)純度很高的材料,外延層大面積均勻性良好,可以進(jìn)行大規模生產(chǎn)。


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