半導(dǎo)體制造設(shè)備系列(6)-薄膜沉積設(shè)備

合明科技發(fā)布時(shí)間：2023-08-09 ?? 3423 Tags：半導(dǎo)體制造設(shè)備薄膜沉積設(shè)備半導(dǎo)體封裝清洗

薄膜沉積是芯片制造的核心工藝環(huán)節(jié)，薄膜沉積設(shè)備是芯片生產(chǎn)核心設(shè)備，設(shè)計(jì)制造技術(shù)難度大，產(chǎn)業(yè)化驗(yàn)證周期長(zhǎng)。由于薄膜是芯片結(jié)構(gòu)的功能材料層，在芯片完成制造、封測(cè)等工序后會(huì)留存在芯片中，薄膜的技術(shù)參數(shù)直接影響芯片性能。在晶圓制造過(guò)程中，薄膜起到產(chǎn)生導(dǎo)電層或絕緣層、阻擋污染物和雜質(zhì)滲透、提高吸光率、臨時(shí)阻擋刻蝕等重要作用。隨著集成電路的持續(xù)發(fā)展，晶圓制造工藝不斷走向精密化，芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也不斷提高，需要在更微小的線寬上制造，制造商要求制備的薄膜品種隨之增加，最終用戶對(duì)薄膜性能的要求也日益提高。

一、薄膜沉積設(shè)備的原理及分類(lèi)：

薄膜沉積工藝在半導(dǎo)體制程中應(yīng)用廣泛，根據(jù)其成膜原理可以大致分為兩類(lèi)：物理氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，PVD)以及化學(xué)氣相沉(Physical Vapor Depositon，CVD)。

圖1. 薄膜沉積方法分類(lèi)

物理氣相沉積PVD是指是用物理的方法使鍍膜材料氣化，在基體表面沉積成膜的方法，主要有蒸鍍、濺射和離子鍍等。特點(diǎn)是沉積材料純度佳、品質(zhì)穩(wěn)定、溫度低、速度快、制造成本較低。主要用于金屬薄膜的沉積。其中，蒸鍍是在真空環(huán)境中把蒸鍍材料加熱熔化后蒸發(fā)，使其大量原子、分子、原子團(tuán)離開(kāi)熔體表面，凝結(jié)在工件表面上形成鍍膜。濺射是用高能粒子（通常是由電場(chǎng)加速的正離子）沖擊固體表面，固體表面的原子、分子與這些高能粒子交換動(dòng)能，從而由固體表面飛濺出來(lái)，飛濺出來(lái)的原子及其他離子在隨后過(guò)程中沉積凝聚在工件表面形成薄膜鍍層，稱為濺射鍍膜。離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子化，在氣體離子或蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用下，把蒸發(fā)物質(zhì)或反應(yīng)物蒸鍍?cè)诠ぜ稀?nbsp;

圖2. PVD磁控濺射原理

化學(xué)氣相沉積CVD是指在真空高溫條件下，兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，氣態(tài)原材料相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。特點(diǎn)是用途廣泛、不需要高真空、設(shè)備簡(jiǎn)單、可控性和重復(fù)性好、適合大批量生產(chǎn)。主要用于介質(zhì)/絕緣材料薄膜的生長(zhǎng)。包括低壓 CVD（LPCVD）、常壓 CVD（APCVD）、等離子體增強(qiáng) CVD（PECVD）、金屬有機(jī)物 CVD（MOCVD）、激光 CVD（LCVD）等。

圖3. CVD原理

原子層沉積ALD 是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍?cè)诨妆砻娴姆椒ǎ?是一種原子尺度的薄膜制備技術(shù)，本質(zhì)屬于 CVD 的一種，特點(diǎn)是可以沉積均勻一致，厚度可控、成分可調(diào)的超薄薄膜， ALD 方法既可以沉積介質(zhì)/絕緣薄膜，也可以進(jìn)行金屬薄膜的沉積。隨著納米技術(shù)和半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展，器件和材料的尺寸要求不斷地降低，同時(shí)器件結(jié)構(gòu)中的寬深比不斷增加，這樣就要求所使用材料的厚度降低至十幾納米到幾個(gè)納米數(shù)量級(jí)。相對(duì)于傳統(tǒng)的沉積工藝， ALD 技術(shù)具有優(yōu)異的臺(tái)階覆蓋性、均勻性和一致性，可沉積寬深比達(dá) 2000:1的結(jié)構(gòu)，因此逐漸成為了相關(guān)制造領(lǐng)域不可替代的技術(shù)，具有很大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間。

二、薄膜沉積設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模

薄膜沉積設(shè)備在集成電路前道制程的價(jià)值占比僅次于光刻機(jī)，其2020 年全球薄膜設(shè)備市場(chǎng)達(dá)到 138 億美元，占 IC 制造設(shè)備 21%；其中主要是 CVD和 PVD，合計(jì)占 IC 制造設(shè)備 18%。CVD 市場(chǎng)規(guī)模高度 89 億美元，主流設(shè)備包括 PECVD、 Tube CVD、 LPCVD 和 ALD 等。