簡介
積體電路在製造過程中需要在晶圓片的表面上生長數層材質不同、厚度不同的膜層,其中有導電膜層以及絕緣膜層,這些膜層的製備對於積體電路的製造非常重要。薄膜生長技術,也可稱作製作膜層的方法,薄膜生長技術有很多,不同作用,不同位置的薄膜生長技術不同,如熱氧化、化學氣相沉積和物理氣相沉積。
熱氧化
凡是物質與氧發生化學反應生成氧化物的方法都是氧化法,二氧化矽的生長方法有很多,如熱氧化、熱分解沉澱、蒸發等。由於熱氧法的氧化反應發生在矽—二氧化矽交界面,接觸到的雜質少,生成的二氧化矽氧化膜質量較高,因此在積體電路中通常使用熱氧法生成氧化膜。熱氧化法是指晶圓片與含氧物質(氧、水等)在高溫下進行反應生成二氧化矽膜的方法。根據氧化劑的不同,熱氧化法主要分為乾氧氧化、水汽氧化和濕氧氧化法三種,其中乾氧氧化和濕氧氧化是最常用的方法。乾氧氧化法採用純氧作為氧化劑,生長的氧化膜表面乾燥、結構緻密、光刻時與光刻膠接觸良好,但氧化速度慢。濕氧氧化法的氧化劑是高純水的氧氣,既含有氧,又含有水汽,氧化速度較快,但生成的氧化膜質量不如乾氧氧化法。在實際生成過程中,通常採用乾-濕乾相結合的氧化方式 。
物理氣相沉積
物理氣相沉積(Physical vapor deposition,PVD)是一種工業製造上的工藝,是主要利用物理過程來沉積薄膜的技術,即真空鍍膜(蒸鍍),多用在鈑金件、蝕刻件、擠壓件、金屬射出成型(MIM)、粉末射出成型(PIM)、機加件和焊接件等零件的工藝上。
和化學氣相沉積相比,物理氣相沉積適用範圍廣泛,幾乎所有材料的薄膜都可以用物理氣相沉積來製備,但是薄膜厚度的均勻性是物理氣相沉積中的一個問題。主要的物理氣相沉積的方法有:熱蒸鍍、濺鍍、和脈衝雷射沉積等。濺射(sputtering),也稱濺鍍(sputter deposition/coating),是一種物理氣相沉積技術,指固體靶"target"(或源"source")中的原子被高能量離子(通常來自電漿)撞擊而離開固體進入氣體的物理過程。濺射一般是在充有惰性氣體的真空系統中,通過高壓電場的作用,使得氬氣電離,產生氬離子流,轟擊靶陰極,被濺出的靶材料原子或分子沉澱積累在半導體晶片或玻璃、陶瓷上而形成薄膜。
脈衝雷射沉積(Pulsed Laser Deposition,PLD),也被稱為脈衝雷射燒蝕(英語:pulsed laser abalation,PLA)為物理氣相沉積(英語:Physical Vapor Deposition,PVD)的一種 , 是一種利用聚焦後的高功率脈衝雷射於真空腔體中對靶材進行轟擊,由於雷射能量強,會將靶材汽化形成等離子蕈狀團(plasma plume),並沉澱於基板上形成薄膜。
於鍍膜可於高真空、超高真空或通入工作氣體(如欲沉積氧化物薄膜,通常會通入氧氣作為其工作氣體)的環境下進行。
於脈衝雷射沉積的過程中,雷射的能量被靶材吸收之後,能量首先激發靶材內部的電子躍遷,之後再轉成熱能等使靶材汽化形成等離子態,於等離子云中,包含分子、原子、電子、離子、微粒、融球體等物質。
化學氣相沉積
化學氣相沉積(chemical vapor deposition,簡稱CVD)是一種用來產生純度高、性能好的固態材料的化學技術。半導體產業使用此技術來成長薄膜。典型的CVD工藝是將晶圓(基底)暴露在一種或多種不同的前趨物下,在基底表面發生化學反應或/及化學分解來產生欲沉積的薄膜。反應過程中通常也會伴隨地產生不同的副產品,但大多會隨著氣流被帶走,而不會留在反應腔(reaction chamber)中。
微製程大都使用CVD技術來沉積不同形式的材料,包括單晶、多晶、非晶及外延材料。這些材料有矽、碳纖維、碳奈米纖維、奈米線、奈米碳管、SiO2、矽鍺、鎢、矽碳、氮化矽、氮氧化矽及各種不同的high-k介質等材料。CVD製程也常用來生成合成鑽石。
以反應時的壓力分類
常壓化學氣相沉積(Atmospheric Pressure CVD,APCVD):在常壓環境下的CVD工藝。
低壓化學氣相沉積(Low-pressure CVD,LPCVD):在低壓環境下的CVD工藝。降低壓力可以減少不必要的氣相反應,以增加晶圓上薄膜的一致性。大部分現今的CVD工藝都是使用LPCVD或UHVCVD。
超高真空化學氣相沉積(Ultrahigh vacuum CVD,UHVCVD:在非常低壓環境下的CVD工藝。大多低於10-6 Pa (約為10-8 torr)。註:在其他領域,高真空和超高真空大都是指同樣的真空度,約10-7 Pa。
以氣相的特性分類
氣溶膠輔助氣相沉積(Aerosol assisted CVD,AACVD):使用液體/氣體的氣溶膠的前驅物成長在基底上,成長速非常快。此種技術適合使用非揮發的前驅物。
直接液體注入化學氣相沉積(Direct liquid injection CVD,DLICVD):使用液體(液體或固體溶解在合適的溶液中)形式的前驅物。液相溶液被注入到蒸發腔里變成注入物。接著前驅物經由傳統的CVD技術沉積在基底上。此技術適合使用液體或固體的前驅物。此技術可達到很多的成長速率。