半導體技術是人類科學技術發展至今復雜的技術之一，被譽為現代制造業皇冠上的明珠，世界上復雜的物理化學理論和精密的設備，都能在半導體行業的生產線上見到，這次我們要聊的，就是當真空遇到化學氣相沉積后所發生的美好事情。

1.薄膜的作用

薄膜是我們生活中常見的物品，一般是一種薄而軟的透明薄片。薄膜被廣泛用于電子電器，機械，印刷等行業，有著極為重要的作用。

在半導體行業中，晶圓表面活性非常高，極易受到污染，因此薄膜常用來阻擋污染物和雜質，除此以外，由于薄膜的天然特性，薄膜也常用于產生導電層或絕緣層、產生減反射膜提高吸光率、臨時阻擋刻蝕等作用。

2.半導體行業中薄膜的制備

由于半導體器件的高精度，薄膜通常使用膜淀積技術來實現。晶圓表面的淀積物會在晶圓表面形成一層連續密閉的薄膜，在半導體行業，薄膜淀積工藝是普通也重要的工藝。

在晶圓襯底上淀積薄膜有很多種技術，主要分為化學工藝和物理工藝。

化學工藝主要指化學氣相沉積，包括常壓化學氣相沉積（APCVD）、低壓化學氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強化學氣象沉積（PECVD）、高密度等離子體化學氣相沉積（HDPCVD）、電鍍等，物理工藝則主要有物理氣相沉積、蒸發和旋涂等。

低壓化學氣相沉積設備的外觀

顧名思義，化學氣相沉積（CVD）就是通過氣體混合的化學反應在晶圓表面淀積一層固體膜的工藝，這是常在半導體制程中使用的技術。CVD技術具有淀積溫度低（500℃~1100℃）、薄膜成分與厚度易控、膜厚遇淀積時間成正比、均勻性與重復性較好、臺階覆蓋優良、操作簡便、使用范圍廣泛等一系列特點。半導體中常用的淀積膜有二氧化硅、氮化硅、多晶結構的硅甚至金屬膜。

3.壓力和真空

物理學上的壓力，是指發生在兩個物體的接觸表面的作用力，或者是氣體對于固體和液體表面的垂直作用力，或者是液體對于固體表面的垂直作用力。習慣上，在力學和多數工程學科中，“壓力”一詞與物理學中的壓強同義，即單位面積上所受到的力。我們生活中隨處可見的為汽車自行車輪胎打氣達到的那個壓強、大氣壓力降低導致高原反應缺氧、標準大氣壓是101kPa等。

真空，并不是真正的空空如也，它是相對于標準大氣壓來講的一種壓力狀態。很多事情沒有標準就會一團糟，物理學家在壓力標準上爭論了數年，最后標定出一個標準大氣壓（即標準條件下的101kPa或14.7Psi），比這個壓力高的都叫做高壓或正壓，比這個壓力低的，則都叫做真空或低壓、負壓，即使是真空狀態，隨著絕對壓力的逐漸降低，也細分為了低級真空、中級真空、高級真空和超高級真空。真空常用各種初級、高真空泵來實現。

4.真空在半導體行業中的應用

直觀來講，真空就是體積和溫度不變的前提下氣體密度的減少。低級真空常用于依靠氣相化學反應（各類CVD）、分子間的動能傳輸以及氣體與界面之間的快速相互作用（如摻雜），中高級真空的條件則會使晶圓表面非常潔凈，如各種離子注入的使用場合，超高級真空是高級真空的延伸，可盡量減少不需要的氣體成分，常用于各種高精尖的測量領域。

真空條件下好處多多，對于半導體行業來講，真空的益處主要有：

1) 創建潔凈的環境，去除不必要的氣體、水蒸氣和粉塵等。

2) 降低分子密度，減少沾污和分子干擾。

3) 增大分子平均自由程，或創造半導體工藝中所需的等離子體區域。

4) 降低反應蒸汽壓強，加速反應過程。

5) 產生吸附力或動力，比如真空吸附機械手，干凈又快速。

真空條件下，氣體更容易被電擊成等離子體產生輝光放電現象

5.當真空遇到化學氣相沉積

很明顯，化學氣相沉積是氣體之間的反應，將真空條件（如20~133Pa）引入后，真空下的氣體可以被更精確的控制、反應氛圍更為潔凈、湍流大幅減少、分子自由程加長更利于均勻性、加速反應速度等。這些優勢集于一身的化學氣相沉積，就是今天我們要介紹的主角——低壓化學氣相沉積Low Pressure Chemical Vapor Deposition，簡稱為LPCVD。

和常壓的CVD相比，LPCVD設備有更低的綜合成本、更高的產能和更好的薄膜性能，在薄膜制造過程中使用更為廣泛。

6.LPCVD的強悍性能

低壓化學氣相沉積法(Low-pressure CVD，LPCVD)的設計就是將反應氣體在反應器內進行沉積反應時的操作壓力，降低到大約133Pa以下的一種CVD反應。LPCVD設備示意圖如下圖所示。

LPCVD結構示意圖

LPCVD壓強下降到約133Pa以下，與此相應，分子的自由程與氣體擴散系數增大，使氣態反應物和副產物的質量傳輸速率加快，形成薄膜的反應速率增加，即使平行垂直放置片子片子的片距減小到5~10mm，質量傳輸限制同片子表面化學反應速率相比仍可不予考慮，這就為直立密排裝片創造了條件，大大提高了每批裝片量。

以LPCVD法來沉積的薄膜，將具備較佳的階梯覆蓋能力,很好的組成成份和結構控制、很高的沉積速率及輸出量。再者LPCVD并不需要載子氣體，因此大大降低了顆粒污染源，被廣泛地應用在高附加價值的半導體產業中，用以作薄膜的沉積。

7.LPCVD在半導體行業中的具體應用

LPCVD廣泛用于二氧化硅（LTO TEOS）、氮化硅（低應力）（Si3N4）、多晶硅（LP-POLY）、磷硅玻璃（BSG）、硼磷硅玻璃(BPSG)、摻雜多晶硅、石墨烯、碳納米管等多種薄膜。

7.1低壓化學氣相淀積——Si3N4

LP Si3N4在工藝中主要作為局部氧化的掩蔽膜， 電容的介質膜等。CMOS工藝常用的隔離技術就是LOCOS（硅的選擇氧化），它以氮化硅為掩膜實現了硅的選擇氧化，在這種工藝中除了形成有源晶體管的區域外，其他所有重摻雜硅區上均生長一層厚的氧化層，該厚氧化層通常稱為場氧。工藝中通常使用的氣體是：NH3+ DCS（SiH2Cl2）。這兩種氣體的反應生成的Si3N4質量高，副產物少，膜厚均勻性極佳，而且是氣體源便于精確控制流量，是目前國內外普遍采用的主流方法。反應式為：

3SiH2Cl2 + 4NH3 = Si3N4 + 6HCl + 6H2

NH3在過量的情況下，HCl與NH3繼續反應：

HCl+ NH3 = NH4Cl

合并為：10NH3+ 3SiH2Cl2 = Si3N4 + 6H2 + 6NH4Cl

7.2低壓淀積多晶硅——LP-POLY

隨著集成電路的發展，多晶的應用也越來越廣，如用于差值氧化以簡化工藝流程；用于負載電阻以縮小電路單元等等 。多晶硅的制備是由硅烷在570-650℃熱分解產生的。

SiH4→Si+2H2

硅烷在575℃分解產生的硅為非晶的，在625℃以上時。多晶硅薄膜為多晶的柱狀結構，當溫度進一步升高時晶粒會不斷長大，非晶會向晶體結構轉變。在600-650℃形成的多晶硅擇優晶向為｛110｝，溫度更高時傾向于生成｛110｝晶向的晶體。

7.3低壓沉積TEOS

LP TEOS主要用于SPACER層及電容氧化層。

LPCVD TEOS用于制作二氧化硅有著很好的均勻性，保形性以及薄膜性。TEOS在常溫下為液態，工藝過程中通過調節源溫控制器的溫度來調節進入tube的TEOS量。TEOS在720℃左右分解生成二氧化硅：

Si(OC2H5)4 → SiO2 +4C2H4 +2H2O

低壓沉積TEOS法的優點是厚度均勻性好、臺階覆蓋優良、淀積膜性質極佳。

8.LPCVD也面臨新挑戰

在集成電路制造技術特征尺寸越來越小的趨勢下，對LPCVD設備提出了更高的要求。

1) 在低壓化學氣相淀積（Si3N4）工藝中存在的薄膜應力會引起變形，改變薄膜的光學和力學性能，過大的張應力會使薄膜發生斷裂，而過大的壓應力則會使薄膜發生翹曲，因此研究氮化硅薄膜的應力特性和低應力氮化硅技術是十分必要的。

2) 在低壓淀積多晶硅（LP-POLY）工藝中，客戶對不同成膜速率工藝需求越來越多，而這需要更精確的控制。

3) LPCVD爐管設備還存在溫度均勻性差、工藝重復性差、腔室和器件易污染不易維護、顆粒多的問題。

8.1 低應力、多功能LPCVD成為新的研發方向

對于很多微機械加工的常用材料，如氮化硅、多晶硅等，應力是不可避免的，在一些精密的MEMS工藝中需要較低的薄膜應力,以保證較小的器件形變。

1) 低應力、多功能LPCVD設備通過獨特的氣路、腔體結構設計，配合相應的工藝配方，成功實現了薄膜應力在較大范圍內可控制，解決了由于薄膜應力存在，引起的變形、光學和力學性能改變的問題。

2) 多功能LPCVD設備可以滿足客戶對TEOS低壓熱解法工藝需求，對不同成膜速率多晶硅工藝需求并保證成膜均勻性和硅片翹曲度要求，TEOS工藝薄膜均勻性片內≤2％、片間≤2％、批間≤2％；POLY工藝片內≤3％、片間≤3％、批間≤3％（成膜速率可達130-150 ?/min, 8000-10000 ?硅片翹曲度≤5um）。

3) 多功能LPCVD設備與傳統方式對比具有獨特的技術，包括良好的薄膜工藝均勻性和重復性、獨特的過濾系統保證腔室和器件具有良好的潔凈度并易于維護、先進的顆粒控制技術、高精度溫度場控制及良好的溫度重復性、完整的工廠自動化接口、高速的數據采集算法等，同時具有豐富行業經驗和成熟的配套工藝可滿足客戶對高端LPCVD設備需求。

9.低應力、多功能將強化LPCVD的基礎地位

LPCVD是半導體薄膜淀積領域應用廣泛的基礎設備之一，短期內難以被其他膜淀積設備替代。隨著集成電路、功率半導體和微機電系統行業的持續發展，制造商要求制備的薄膜品種不斷增加，最終用戶對薄膜的性能要求日益提高，同時新的制備方法隨之不斷涌現，并日趨成熟。無論從成本還是從淀積質量來說，ＮＡＵＲＡ低應力多功能 LPCVD設備都優于普通LPCVD，低應力多功能的引入，使得LPCVD設備廣泛應用于薄膜淀積工藝，目前已擁有幾十家客戶成功應用的案例。

資料來源：北方華創