化學氣相澱積

化學氣相沉積CVD (Chemical Vapor Deposition)

化學氣相澱積是把含有構成薄膜元素的氣態反應劑引入反應室，在晶圓表面發生化學反應，從而生成所需的固態薄膜並澱積在其表面。 ^[1] 

在芯片製造過程中，大部分所需的薄膜材料，不論是導體、半導體，或是介電材料，都可以用化學氣相澱積來製備，如二氧化硅膜、氮化硅膜、多晶硅膜等。它具有澱積温度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度與澱積時間成正比，均勻性與重複性好，台階覆蓋好，操作方便等優點。其中澱積温度低和台階覆蓋好對超大規模集成電路的製造十分有利。因此是集成電路生產過程中最重要的薄膜澱積方法。常用的有常壓化學氣相澱積、低壓化學氣相澱積以及等離子體增強化學氣相澱積等。

CVD是利用氣態物質在固體表面進行化學反應,生成固態沉積物的工藝過程。它一般包括三個步驟:

(1)產生揮發性物質;

(2)將揮發性物質輸運到沉積區;

(3)於基體上發生化學反應而生成固態產物。 ^[2] 

反應器是CVD裝置最基本的部件。根據反應器結構的不同,可將CVD技術分為開管氣流法和封管氣流法兩種基本類型。

這種反應系統是把一定量的反應物和適當的基體分別放在反應器的兩端,管內抽真空後充入一定量的輸運氣體,然後密封,再將反應器置於雙温區內,使反應管內形成一温度梯度。温度梯度造成的負自由能變化是傳輸反應的推動力,於是物料就從封管的一端傳輸到另一端並沉積下來。

封管法的優點是:(1)可降低來自外界的污染;(2)不必連續抽氣即可保持真空;(3)原料轉化率高。其缺點是:(1)材料生長速率慢,不利於大批量生產;(2)有時反應管只能使用一次,沉積成本較高;(3)管內壓力測定困難,具有一定的危險性。

開管氣流法的特點是反應氣體混合物能夠連續補充,同時廢棄的反應產物不斷排出沉積室。按照加熱方式的不同,開管氣流法可分為熱壁式和冷壁式兩種。熱壁式反應器一般採用電阻加熱爐加熱,沉積室室壁和基體都被加熱,因此,這種加熱方式的缺點是管壁上也會發生沉積。冷壁式反應器只有基體本身被加熱,故只有熱的基體才發生沉積。實現冷壁式加熱的常用方法有感應加熱,通電加熱和紅外加熱等。 ^[2] 

由 化學氣相沉積（CVD）技術所形成的膜層緻密且均勻, 膜層與基體的結合牢固, 薄膜成分易控, 沉積速度快, 膜層質量也很穩定,某些特殊膜層還具有優異的光學、熱學和電學性能, 因而易於實現批量生產。

但是, CVD的沉積温度通常很高, 在 900℃～2000℃之間,容易引起零件變形和組織上的變化, 從而降低機體材料的機械性能並削弱機體材料和鍍層間的結合力,使基片的選擇、沉積層或所得工件的質量都受到限制。

CVD技術正朝着中、低温和高真空兩個方向發展, 並與等離子體、激光、超聲波等技術相結合, 形成了許多新型的 CVD技術。 ^[3] 

在許多特殊環境中使用的材料往往需要有塗層保護, 以使其具有耐磨、耐腐蝕、耐高温氧化和耐射線輻射等功能。用CVD法制備的Ti N、Ti C、Ti( C, N)等薄膜具有很高的硬度和耐磨性, 在刀具切削麪上僅覆 1～3μm的Ti N膜就可以使其使用壽命提高3倍以上。而其它一些金屬氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、磷化物、立方氮化硼和類金剛石等膜, 以及各種復 合 膜 也 表 現 出 優 異 的 耐 磨 性 。另 外 , 通 過 沉 積 獲 得的Al2O3、Ti N等薄膜耐蝕性很好, 含有鉻的非晶態的耐蝕性則更高。Si C、Si3N4、Mo Si2等硅系化合物是很重要的高温耐氧化塗層, 這些塗層在表面上生成緻密的 Si O2薄膜, 在 1 400～1 600℃下能耐氧化。Mo和W的CVD塗層也具有優異的高温耐腐蝕性能, 可以應用於渦輪葉片、火箭發動機噴嘴等設備零件上。部分離子鍍Al、Cu、Ti等薄膜已代替電鍍製品用於航空工業的零件上。用真空鍍膜製備的抗熱腐蝕和合金鍍層及進而發展的熱障鍍層已有多種系列用於生產中。

在半導體器件和集成電路的基本製作流程中有關半導體膜的外延、p- n結擴散元的形成、介質隔離、擴散掩膜和金屬膜的沉積等是工藝核心步驟。化學氣相沉積在製備這些材料層的過程中逐漸取代瞭如硅的高温氧化和高温擴散等舊工藝, 在現代微電子技術中占主導地位。在超大規模集成電路製作中, 化學氣相沉積可以用來沉積多晶硅膜、鎢膜、鋁膜、金屬硅化物、氧化硅膜以及氮化硅膜等, 這些薄膜材料可以用作柵電極、多層佈線的層間絕緣膜、金屬佈線、電阻以及散熱材料等。

CVD製備超導材料是美國無線電公司( RCA)在20世紀60年代發明的, 用化學氣相沉積生產的 Nb3Sn低温超導帶材塗層緻密, 厚度較易控制, 力學性能好, 是燒製高場強小型磁體的最優良材料。為提高Nb3Sn的超導性能, 很多國家在摻雜、基帶材料、脱氫、熱處理以及鍍銅( 銀或鋁) 穩定等方面做了大量的研究工作, 使 CVD法成為商品Nb3Sn超導帶的主要生產方法之一。現已用化學氣相沉積法生產出來的其它金屬間化合物超導材料還有Nb3Ge、V3Ga、Nb3Ga等。

太陽能是取之不盡的能源, 利用無機材料的光電轉換功能製成太陽能電池是利用太陽能的一個重要途徑。製備多晶硅薄膜電池多采用CVD技術, 包括 LPCVD和PCVD工藝。現已試製成功的硅、砷化鎵同質結電池以及利用Ⅱ～Ⅴ族 、Ⅰ～Ⅵ族 等 半 導 體 制 成 的 多 種 異 質 結 太 陽 能 電 池 ,如Si O2/Si、Ga As/Ga Al As、Cd Te/Cd S等, 幾乎全製成薄膜形式, 氣相沉積是它們最主要的製備技術。 ^[3] 

隨着工業生產要求的不斷提高, CVD的 工 藝 及 設 備 得到不斷改進, 現已獲得了更多新的膜層, 並大大提高了膜層的性能和質量。與此同時交叉、綜合地使用複合的方法, 不僅啓用了各種新型的加熱源, 還充分運用了各種化學反應、高頻電磁( 脈衝、射頻、微波等) 及等離子體等效應來激活沉積離子, 成為技術創新的重要途徑。

CVD技術由於採用等離子體、激光、電子束等輔助方法降低了反應温度, 使其應用的範圍更加廣闊, 下一步應該朝着減少有害生成物, 提高工業化生產規模的方向發展。同時, CVD反應沉積温度的更低温化, 用 CVD更精確地控制材料的組成、結構、形態與性能技術的開發, 厚膜塗層技術、利用殘餘應力提高材料強度的技術、大型 連 續CVD薄 膜 及 塗 層 制 備 技 術 、新 材 料 的 合 成 技術 , 具 有 新 的 結 構 的 反 應 器 的 研 制 , 新 的 塗 層 材 料 及 具 有新的更能的材料體系的探索等, 將會成為今後研究的主要課題。 ^[3]