半导体制造装备系列(6)-薄膜沉积装备

薄膜沉积是芯片制造的焦点工艺环节，薄膜沉积装备是芯片生产焦点装备，设计制造手艺难度大，工业化验证周期长。由于薄膜是芯片结构的功效质料层，在芯片完成制造、封测等工序后会留保存芯片中，薄膜的手艺参数直接影响芯片性能。在晶圆制造历程中，薄膜起到爆发导电层或绝缘层、阻挡污染物和杂质渗透、提高吸光率、暂时阻挡刻蚀等主要作用。随着集成电路的一连生长，晶圆制造工艺一直走向细密化，芯片结构的重漂后也一直提高，需要在更细小的线宽上制造，制造商要求制备的薄膜品种随之增添，最终用户对薄膜性能的要求也日益提高。 

一、薄膜沉积装备的原理及分类：

薄膜沉积工艺在半导体制程中应用普遍，凭证其成膜原理可以大致分为两类：物理气相沉积(Chemical Vapor Deposition，PVD)以及化学气相沉(Physical Vapor Depositon，CVD)。

图1. 薄膜沉积要领分类

物理气相沉积PVD是指是用物理的要领使镀膜质料气化，在基体外貌沉积成膜的要领，主要有蒸镀、 溅射和离子镀等。特点是沉积质料纯度佳、品质稳固、温度低、速率快、制造本钱较低。主要用于金属薄膜的沉积。其中， 蒸镀是在真空情形中把蒸镀质料加热熔化后蒸发，使其大宗原子、分子、原子团脱离熔体外貌，凝聚在工件外貌上形成镀膜。溅射是用高能粒子（通常是由电场加速的正离子）攻击固体外貌，固体外貌的原子、分子与这些高能粒子交流动能， 从而由固体外貌飞溅出来，飞溅出来的原子及其他离子在随后历程中沉积凝聚在工件外貌形成薄膜镀层，称为溅射镀膜。离子镀是在真空条件下，使用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或蒸发物质离子轰击作用下，把蒸发物质或反应物蒸镀在工件上。 

图2. PVD磁控溅射原理

化学气相沉积CVD是指在真空高温条件下，两种或两种以上的气态原质料导入到一个反应室内， 气态原质料相互之间爆发化学反应，形成一种新的质料，沉积到晶片外貌上。特点是用途普遍、 不需要高真空、 装备简朴、可控性和重复性好、适合大批量生产。主要用于介质/绝缘质料薄膜的生长。包括低压 CVD（LPCVD）、 常压 CVD（APCVD）、 等离子体增强 CVD（PECVD）、金属有机物 CVD（MOCVD）、激光 CVD（LCVD） 等。

图3. CVD原理

原子层沉积ALD 是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底外貌的要领， 是一种原子标准的薄膜制备手艺， 实质属于 CVD 的一种，特点是可以沉积匀称一致，厚度可控、因素可调的超薄薄膜， ALD 要领既可以沉积介质/绝缘薄膜，也可以举行金属薄膜的沉积。随着纳米手艺和半导体微电子手艺的生长，器件和质料的尺寸要求一直地降低，同时器件结构中的宽深比一直增添，这样就要求所使用质料的厚度降低至十几纳米到几个纳米数目级。相关于古板的沉积工艺， ALD 手艺具有优异的台阶笼罩性、 匀称性和一致性， 可沉积宽深比达 2000:1的结构， 因此逐渐成为了相关制造领域不可替换的手艺， 具有很大生长潜力和应用空间。

二、薄膜沉积装备的市场规模

薄膜沉积装备在集成电路前道制程的价值占比仅次于光刻机，其2020 年全球薄膜装备市场抵达 138 亿美元， 占 IC 制造装备 21%；其中主要是 CVD和 PVD，合计占 IC 制造装备 18%。CVD 市场规模高度 89 亿美元，主流装备包括 PECVD、 Tube CVD、 LPCVD 和 ALD 等。

图4. 全球薄膜沉积装备市场规模及展望 

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