化學氣相沉積
關注創建者：上海安世亞太 創建時間：2021-10-19
化學氣相沉積的實例教程
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。
展開 作者：鄧瑞英，上海安世亞太流體工程師
本文為上海安世亞太原創內容，若要轉載請標明出處
研究背景
化學氣相沉積技術主要是利用含有薄膜元素的氣相物質在襯底表面進行化學反應生成薄膜的方法。該技術廣泛應用于生產晶體、晶體薄膜，晶須，多晶/非晶材料膜。化學氣相沉積技術在半導體工業中有著比較廣泛的應用，例如，非晶硅薄膜太陽能電池中非晶硅材料的制備采用的就是等離子增強型化學氣相沉積技術（PECVD），等離子技術可以促進化學反應的發生，使得沉積過程能夠在較低的溫度下進行。
圖1 薄膜太陽能電池
研究目的
在制備薄膜太陽能電池的過程中，非晶硅表面上沉積的薄膜往往存在厚度不均勻的問題。非均勻薄膜對太陽能電池的性能產生極大的影響，因此需要深入探究非晶硅薄膜的沉積過程，解決沉積薄膜的非均勻性問題。而在晶硅薄膜的制備過程中很難通過現場實驗測量的方法獲得薄膜的生長規律、氣流流動特性、復雜的氣相和表面化學反應過程，因此需要借助CFD軟件模擬和預測非晶硅薄膜的沉積過程，獲得薄膜生長規律，從而解決薄膜的均勻性問題。
案例分析
等離子體化學氣相沉積（PECVD-- plasma-enhanced chemical vapor deposition）反應器主要由宏觀和微觀兩部分組成，如圖2、3所示。宏觀部分：反應氣體硅烷（SiH4）和氫氣（H2）進入反應器，反應器中加有電離場，反應氣體在電離的作用下形成SiH3和H。微觀部分：一部分SiH3和H經過物理吸附過程重新形成SiH4和H2。一部分SiH3經過化學吸附過程，SiH3、H吸附在帶懸掛鍵Si表面。
圖2 PECVD反應器示意圖
圖3 PECVD反應器原理圖
為減少計算量，采用反應器對稱的一半區域做計算。
展開 鄧瑞英
上海安世亞太公司
化學氣相沉積技術（CVD）主要是利用含有薄膜元素的氣相物質在襯底表面進行化學反應生成薄膜的方法，該技術廣泛應用于生產晶體、晶體薄膜，晶須，多晶/非晶材料膜。化學氣相沉積技術在半導體工業中有著比較廣泛的應用，例如，非晶硅薄膜太陽能電池中非晶硅材料的制備采用的就是等離子增強型化學氣相沉積技術（PECVD），等離子技術可以促進化學反應的發生，使得沉積過程能夠在較低的溫度下進行。
在制備薄膜太陽能電池的過程中，非晶硅表面上沉積的薄膜往往存在厚度不均勻的問題。非均勻薄膜對太陽能電池的性能產生極大的影響，因此需要深入探究非晶硅薄膜的沉積過程，解決沉積薄膜的非均勻性問題。而在晶硅薄膜的制備過程中很難通過現場實驗測量的方法獲得薄膜的生長規律、氣流流動特性、復雜的氣相和表面化學反應過程，因此需要借助CFD軟件模擬和預測非晶硅薄膜的沉積過程，獲得薄膜生長規律，從而解決薄膜的均勻性問題。
案例分析
等離子體化學氣相沉積（PECVD-- plasma-enhanced chemical vapor deposition）反應器主要由宏觀和微觀兩部分組成，如圖2、3所示。宏觀部分：反應氣體硅烷（SiH4）和氫氣（H2）進入反應器，反應器中加有電離場，反應氣體在電離的作用下形成SiH3和H。微觀部分：一部分SiH3和H經過物理吸附過程重新形成SiH4和H2。
展開 薄膜沉積是在半導體的主要襯底材料上鍍一層膜。這層膜可以有各種各樣的材料，比如絕緣化合物二氧化硅，半導體多晶硅、金屬銅等。用來鍍膜的這個設備就叫薄膜沉積設備。薄膜制備工藝按照其成膜方法可分為兩大類：物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積（CVD），其中CVD工藝設備占比更高。
化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition 簡稱CVD) 是利用氣態或蒸汽態的物質在氣相或氣固界面上發生反應生成固態沉積物的過程。
化學氣相沉積過程分為三個重要階段：反應氣體向基體表面擴散、反應氣體吸附于基體表面、在基體表面上發生化學反應形成固態沉積物及產生的氣相副產物脫離基體表面。最常見的化學氣相沉積反應有:熱分解反應、化學合成反應和化學傳輸反應等。
在半導體CVD工藝中，通常會使用一種或多種前體氣體，這些氣體在反應室中通過化學反應產生固態薄膜材料，然后沉積在半導體晶片表面。CVD工藝可以通過熱CVD、等離子CVD、金屬有機CVD等不同的方式來實現。
其中常見的氣體包括：二氧化硅前體氣體（如二氧化硅醚、氯硅烷）、氮氣、氨氣、硅源氣體（如三甲基硅烷、三氯硅烷）、氫氣等。對于不同的前體氣體，需要能夠精確地控制其流量，以確保反應的準確性和穩定性。
比如：在典型的 MOCVD 設置中，位于單獨溶液室中的液態金屬有機前驅體根據需要進行溫和加熱，噴射或鼓泡以溶解前驅體氣體，并通過高純度載氣（通常是氮氣或氫氣）通過流量控制器輸送到 MOCVD 反應器中。受控閃蒸器。該輸送管線的溫度受到精確控制，以避免前體在引入 MOCVD 反應器之前發生冷凝或過早反應。
展開 本案例演示利用Fluent模擬計算化學氣相沉積（CVD）過程。案例數據來自Fluent Tutorials文檔。
工程上常采用化學氣相沉積方法（chemical vapor deposition，CVD）生產半導體砷化鎵GaAs，其反應裝置示意圖如下圖所示。
工藝氣體三甲基鎵(Ga(CH3)3)和砷化氫(AsH3)通過頂部的進氣道以溫度293k進入反應器。氣體在旋轉的熱圓盤上流動，從而在圓盤上沉積薄薄的鎵和砷層。圓盤旋轉產生徑向抽運效應，迫使氣體以層流的方式流動到生長表面并向外穿過圓盤，最終從反應器中排出。
案例涉及到的化學反應：
入口氣體包含三甲基鎵（質量分數0.15)、砷化氫（質量分數0.4）以及氫氣。入口混合物速度為0.02189 m/s，圓盤旋轉速度80 rad/s。反應器頂部壁面（wall-1邊界）加熱至437 K，側壁面（wall-2）溫度維持在343 K，基座（wall-4）加熱至均勻溫度1023 K，下壁面（wall-6）溫度303 K。
1 啟動Fluent并導入網格
以3D、Double Precision方式啟動Fluent
利用菜單File → Read → Mesh…讀取網格文件surface.msh
計算網格如圖所示。
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系統層面的多通道解決方案：模塊化與集成化
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氣動提升閥主要用在哪些場合？1個月前
諾冠（IMI Norgren）的提升閥產品，專為應對此類難題而生，在化學氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）設備中，提升閥利用獨特的“無滑動摩擦”密封結構，極大減少了顆粒生成的風險，超低內泄漏率（通常小于0.01L/min）確保了反應氣體的純度與工藝的一致性，無論是高純度的氮氣、氬氣，還是具有腐蝕性的特種氣體，諾冠提升閥都能通過全金屬密封或高性能復合材料，實現精準控制，為芯片制造的良率保駕護航
諾冠官網IMI Norgren：https://www.norgren.com.cn/
提升閥：https://www.norgren.com.cn/3704.html
半導體制造：潔凈與精準的極致追求
在半導體晶圓加工過程中，任何微小的顆粒污染或氣體壓力波動都可能導致整批產品報廢，諾冠提升閥以超低內泄漏（通常小于0.01L/min）和無滑動摩擦副的設計，極大降低了顆粒生成風險，成為化學氣相沉積
提升閥有哪些典型的應用實例？1個月前
在半導體制造這一對潔凈度與精度要求近乎苛刻的行業，任何微小的顆粒污染或壓力波動都可能導致價值不菲的晶圓報廢，諾冠提升閥，采用全金屬或特種復合材料密封，實現了超低的內泄漏率，并且無滑動摩擦的設計從根本上減少了顆粒物的產生，在化學氣相沉積（CVD）等核心工藝中，它精確控制著反應氣體的通斷，為芯片的納米級制造提供了穩定、潔凈的氣路保障，是提升良品率的幕后功臣。
提升閥：https://www.norgren.com.cn/3704.html
一、半導體制造設備：潔凈與精準的雙重保障
在半導體晶圓加工過程中，對氣體純度、壓力穩定性和控制精度的要求極高，任何微小的顆粒污染或壓力波動都可能導致整片晶圓報廢，諾冠提升閥采用全金屬密封或高分子復合材料密封結構，具備超低內泄漏（通常小于0.01 L/min），且無滑動摩擦副，極大減少了顆粒生成風險，例如在化學氣相沉積
什么是波導？2個月前
這包括：
光刻
等離子體蝕刻
反應離子蝕刻（RIE）
化學氣相沉積（CVD）
金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）
物理氣相沉積（PVD）
原子層沉積（ALD）
分子束外延（MBE）
制造工藝的準確性至關重要，因為波導中的表面粗糙度可能會導致散射和光損耗。與所有半導體一樣，制造工藝和環境對于保持高靈敏度以及防止污染至關重要。
氣體質量流量控制器的優點有哪些？2個月前
高精度與快速響應，提升工藝控制水平
Bronkhorst的MFC產品具備±0.5% FS甚至更高的控制精度，并擁有毫秒級的響應速度，這意味著系統能迅速調整至設定流量值，有效抑制波動，實現穩定、可重復的工藝過程，例如在CVD（化學氣相沉積）或ALD（原子層沉積）工藝中，微小的氣體偏差可能導致整批晶圓報廢，而高精度MFC正是保障良率的核心設備。
3.
半導體與微電子制造：納米級精度不容絲毫偏差
半導體制造工藝極其復雜，涉及數百道工序，其中大量使用高純度特種氣體（如硅烷、氨氣、氟化物等），在化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）或刻蝕等關鍵步驟中，氣體流量的微小波動都可能導致晶圓缺陷，直接影響芯片良率，因此該行業對質量流量計的長期穩定性、零點漂移控制及抗污染能力要求極高。
通過等離子體增強化學氣相沉積法在晶圓上沉積300納米厚的SiN層。在SiN層上旋涂光刻膠（AR-P6200.09）。通過電子束光刻（Vistec EBPG-5200+）和感應耦合等離子體干法刻蝕工藝，在光刻膠上形成波導、MMI和光柵耦合器圖案，并將其轉移至SiN層。隨后對SiN層進行300納米深度的刻蝕。去除殘留物后，通過電子束蒸發和剝離工藝沉積并制作350納米厚的分段慢波電極。
接著通過等離子體增強化學氣相沉積法在芯片頂部沉積900nm厚的二氧化硅層（如圖5c所示）。隨后通過光刻、金屬蒸鍍及剝離工藝制備底部gold金屬電極（含T-segment與偏置電極），如圖5d所示。先沉積另一層二氧化硅（圖5e），再通過圖案化形成s-sep（圖5f）與g-sep（圖6i）結構的絕緣層。頂部金屬電極再次通過光刻、金屬蒸發和剝離工藝制備（如圖5g、j所示）。
