[科普中国]-薄膜生长技术

薄膜材料是指厚度介于单原子到几毫米间的薄金属或有机物层。电子半导体功能器件和光学镀膜是薄膜技术的主要应用。薄膜的生长是半导体制造中一项重要的工艺。薄膜生长技术总的来说可以分为物理方法和化学方法。常见的薄膜生长技术包括：热氧化法、物理气相沉积和化学气相沉积。

简介集成电路在制造过程中需要在晶圆片的表面上生长数层材质不同、厚度不同的膜层，其中有导电膜层以及绝缘膜层，这些膜层的制备对于集成电路的制造非常重要。薄膜生长技术，也可称作制作膜层的方法，薄膜生长技术有很多，不同作用，不同位置的薄膜生长技术不同，如热氧化、化学气相沉积和物理气相沉积。

热氧化凡是物质与氧发生化学反应生成氧化物的方法都是氧化法，二氧化硅的生长方法有很多，如热氧化、热分解沉淀、蒸发等。由于热氧法的氧化反应发生在硅—二氧化硅交界面，接触到的杂质少，生成的二氧化硅氧化膜质量较高，因此在集成电路中通常使用热氧法生成氧化膜。热氧化法是指晶圆片与含氧物质（氧、水等）在高温下进行反应生成二氧化硅膜的方法。根据氧化剂的不同，热氧化法主要分为干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化法三种，其中干氧氧化和湿氧氧化是最常用的方法。干氧氧化法采用纯氧作为氧化剂，生长的氧化膜表面干燥、结构致密、光刻时与光刻胶接触良好，但氧化速度慢。湿氧氧化法的氧化剂是高纯水的氧气，既含有氧，又含有水汽，氧化速度较快，但生成的氧化膜质量不如干氧氧化法。在实际生成过程中，通常采用干-湿干相结合的氧化方式1。

物理气相沉积物理气相沉积（Physical vapor deposition，PVD）是一种工业制造上的工艺，是主要利用物理过程来沉积薄膜的技术，即真空镀膜（蒸镀），多用在钣金件、蚀刻件、挤压件、金属射出成型（MIM）、粉末射出成型（PIM）、机加件和焊接件等零件的工艺上。

和化学气相沉积相比，物理气相沉积适用范围广泛，几乎所有材料的薄膜都可以用物理气相沉积来制备，但是薄膜厚度的均匀性是物理气相沉积中的一个问题。主要的物理气相沉积的方法有：热蒸镀、溅镀、和脉冲激光沉积等。溅射（sputtering），也称溅镀（sputter deposition/coating），是一种物理气相沉积技术，指固体靶"target"（或源"source"）中的原子被高能量离子（通常来自等离子体）撞击而离开固体进入气体的物理过程。溅射一般是在充有惰性气体的真空系统中，通过高压电场的作用，使得氩气电离，产生氩离子流，轰击靶阴极，被溅出的靶材料原子或分子沉淀积累在半导体芯片或玻璃、陶瓷上而形成薄膜。

脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD），也被称为脉冲激光烧蚀（英语：pulsed laser abalation，PLA）为物理气相沉积(英语：Physical Vapor Deposition，PVD)的一种 , 是一种利用聚焦后的高功率脉冲激光于真空腔体中对靶材进行轰击，由于激光能量强，会将靶材汽化形成等离子蕈状团(plasma plume)，并沉淀于基板上形成薄膜。

于镀膜可于高真空、超高真空或通入工作气体(如欲沉积氧化物薄膜，通常会通入氧气作为其工作气体)的环境下进行。

于脉冲激光沉积的过程中，激光的能量被靶材吸收之后，能量首先激发靶材内部的电子跃迁，之后再转成热能等使靶材汽化形成等离子态，于等离子云中，包含分子、原子、电子、离子、微粒、融球体等物质。

化学气相沉积化学气相沉积（chemical vapor deposition，简称CVD）是一种用来产生纯度高、性能好的固态材料的化学技术。半导体产业使用此技术来成长薄膜。典型的CVD工艺是将晶圆（基底）暴露在一种或多种不同的前趋物下，在基底表面发生化学反应或/及化学分解来产生欲沉积的薄膜。反应过程中通常也会伴随地产生不同的副产品，但大多会随着气流被带走，而不会留在反应腔（reaction chamber）中。

微制程大都使用CVD技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、非晶及外延材料。这些材料有硅、碳纤维、碳奈米纤维、奈米线、奈米碳管、SiO2、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的high-k介质等材料。CVD制程也常用来生成合成钻石。

以反应时的压力分类

常压化学气相沉积（Atmospheric Pressure CVD，APCVD）：在常压环境下的CVD工艺。

低压化学气相沉积（Low-pressure CVD，LPCVD）：在低压环境下的CVD工艺。降低压力可以减少不必要的气相反应，以增加晶圆上薄膜的一致性。大部分现今的CVD工艺都是使用LPCVD或UHVCVD。

超高真空化学气相沉积（Ultrahigh vacuum CVD，UHVCVD：在非常低压环境下的CVD工艺。大多低于10-6 Pa (约为10-8 torr）。注：在其他领域，高真空和超高真空大都是指同样的真空度，约10-7 Pa。

以气相的特性分类

气溶胶辅助气相沉积（Aerosol assisted CVD，AACVD）：使用液体/气体的气溶胶的前驱物成长在基底上，成长速非常快。此种技术适合使用非挥发的前驱物。

直接液体注入化学气相沉积（Direct liquid injection CVD，DLICVD）：使用液体（液体或固体溶解在合适的溶液中）形式的前驱物。液相溶液被注入到蒸发腔里变成注入物。接着前驱物经由传统的CVD技术沉积在基底上。此技术适合使用液体或固体的前驱物。此技术可达到很多的成长速率。

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学