更新时间：2024-09-17 08:21
化学气相淀积CVD (Chemical Vapor Deposition)
化学气相淀积是把含有构成薄膜元素的气态反应剂引入反应室，在晶圆表面发生化学反应，从而生成所需的固态薄膜并淀积在其表面。
在芯片制造过程中，大部分所需的薄膜材料，不论是导体、半导体，或是介电材料，都可以用化学气相淀积来制备，如二氧化硅膜、氮化硅膜、多晶硅膜等。它具有淀积温度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度与淀积时间成正比，均匀性与重复性好，台阶覆盖好，操作方便等优点。其中淀积温度低和台阶覆盖好对超大规模集成电路的制造十分有利。因此是集成电路生产过程中最重要的薄膜淀积方法。常用的有常压化学气相淀积、低压化学气相淀积以及等离子体增强化学气相淀积等。
CVD是利用气态物质在固体表面进行化学反应,生成固态沉积物的工艺过程。它一般包括三个步骤:
(1)产生挥发性物质;
(2)将挥发性物质输运到沉积区;
(3)于基体上发生化学反应而生成固态产物。
反应器是CVD装置最基本的部件。根据反应器结构的不同,可将CVD技术分为开管气流法和封管气流法两种基本类型。
这种反应系统是把一定量的反应物和适当的基体分别放在反应器的两端,管内抽真空后充入一定量的输运气体,然后密封,再将反应器置于双温区内,使反应管内形成一温度梯度。温度梯度造成的负自由能变化是传输反应的推动力,于是物料就从封管的一端传输到另一端并沉积下来。
封管法的优点是:(1)可降低来自外界的污染;(2)不必连续抽气即可保持真空;(3)原料转化率高。其缺点是:(1)材料生长速率慢,不利于大批量生产;(2)有时反应管只能使用一次,沉积成本较高;(3)管内压力测定困难,具有一定的危险性。
开管气流法的特点是反应气体混合物能够连续补充,同时废弃的反应产物不断排出沉积室。按照加热方式的不同,开管气流法可分为热壁式和冷壁式两种。热壁式反应器一般采用电阻加热炉加热,沉积室室壁和基体都被加热,因此,这种加热方式的缺点是管壁上也会发生沉积。冷壁式反应器只有基体本身被加热,故只有热的基体才发生沉积。实现冷壁式加热的常用方法有感应加热,通电加热和红外加热等。
由 化学气相沉积（CVD）技术所形成的膜层致密且均匀, 膜层与基体的结合牢固, 薄膜成分易控, 沉积速度快, 膜层质量也很稳定,某些特殊膜层还具有优异的光学、热学和电学性能, 因而易于实现批量生产。
但是, CVD的沉积温度通常很高, 在 900℃～2000℃之间,容易引起零件变形和组织上的变化, 从而降低机体材料的机械性能并削弱机体材料和镀层间的结合力,使基片的选择、沉积层或所得工件的质量都受到限制。
CVD技术正朝着中、低温和高真空两个方向发展, 并与等离子体、激光、超声波等技术相结合, 形成了许多新型的 CVD技术。
在许多特殊环境中使用的材料往往需要有涂层保护, 以使其具有耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化和耐射线辐射等功能。用CVD法制备的Ti N、Ti C、Ti( C, N)等薄膜具有很高的硬度和耐磨性, 在刀具切削面上仅覆 1～3μm的Ti N膜就可以使其使用寿命提高3倍以上。而其它一些金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、磷化物、立方氮化硼和类金刚石等膜, 以及各种复 合 膜 也 表 现 出 优 异 的 耐 磨 性 。另 外 , 通 过 沉 积 获 得的Al2O3、Ti N等薄膜耐蚀性很好, 含有铬的非晶态的耐蚀性则更高。Si C、Si3N4、Mo Si2等硅系化合物是很重要的高温耐氧化涂层, 这些涂层在表面上生成致密的 Si O2薄膜, 在 1 400～1 600℃下能耐氧化。Mo和W的CVD涂层也具有优异的高温耐腐蚀性能, 可以应用于涡轮叶片、火箭发动机喷嘴等设备零件上。部分离子镀Al、Cu、Ti等薄膜已代替电镀制品用于航空工业的零件上。用真空镀膜制备的抗热腐蚀和合金镀层及进而发展的热障镀层已有多种系列用于生产中。
在半导体器件和集成电路的基本制作流程中有关半导体膜的外延、p- n结扩散元的形成、介质隔离、扩散掩膜和金属膜的沉积等是工艺核心步骤。化学气相沉积在制备这些材料层的过程中逐渐取代了如硅的高温氧化和高温扩散等旧工艺, 在现代微电子技术中占主导地位。在超大规模集成电路制作中, 化学气相沉积可以用来沉积多晶硅膜、钨膜、铝膜、金属硅化物、氧化硅膜以及氮化硅膜等, 这些薄膜材料可以用作栅电极、多层布线的层间绝缘膜、金属布线、电阻以及散热材料等。
CVD制备超导材料是美国无线电公司( RCA)在20世纪60年代发明的, 用化学气相沉积生产的 Nb3Sn低温超导带材涂层致密, 厚度较易控制, 力学性能好, 是烧制高场强小型磁体的最优良材料。为提高Nb3Sn的超导性能, 很多国家在掺杂、基带材料、脱氢、热处理以及镀铜( 银或铝) 稳定等方面做了大量的研究工作, 使 CVD法成为商品Nb3Sn超导带的主要生产方法之一。现已用化学气相沉积法生产出来的其它金属间化合物超导材料还有Nb3Ge、V3Ga、Nb3Ga等。
太阳能是取之不尽的能源, 利用无机材料的光电转换功能制成太阳能电池是利用太阳能的一个重要途径。制备多晶硅薄膜电池多采用CVD技术, 包括 LPCVD和PCVD工艺。现已试制成功的硅、砷化镓同质结电池以及利用Ⅱ～Ⅴ族 、Ⅰ～Ⅵ族 等 半 导 体 制 成 的 多 种 异 质 结 太 阳 能 电 池 ,如Si O2/Si、Ga As/Ga Al As、Cd Te/Cd S等, 几乎全制成薄膜形式, 气相沉积是它们最主要的制备技术。
随着工业生产要求的不断提高, CVD的 工 艺 及 设 备 得到不断改进, 现已获得了更多新的膜层, 并大大提高了膜层的性能和质量。与此同时交叉、综合地使用复合的方法, 不仅启用了各种新型的加热源, 还充分运用了各种化学反应、高频电磁( 脉冲、射频、微波等) 及等离子体等效应来激活沉积离子, 成为技术创新的重要途径。
CVD技术由于采用等离子体、激光、电子束等辅助方法降低了反应温度, 使其应用的范围更加广阔, 下一步应该朝着减少有害生成物, 提高工业化生产规模的方向发展。同时, CVD反应沉积温度的更低温化, 用 CVD更精确地控制材料的组成、结构、形态与性能技术的开发, 厚膜涂层技术、利用残余应力提高材料强度的技术、大型 连 续CVD薄 膜 及 涂 层 制 备 技 术 、新 材 料 的 合 成 技术 , 具 有 新 的 结 构 的 反 应 器 的 研 制 , 新 的 涂 层 材 料 及 具 有新的更能的材料体系的探索等, 将会成为今后研究的主要课题。