微纳加工 | 薄膜沉积工艺介绍

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什么是薄膜沉积（镀膜）？

薄膜沉积（镀膜）是在基底材料上形成和沉积薄膜涂层的过程，在基片上沉积各种材料的薄膜是微纳加工的重要手段之一，薄膜具有许多不同的特性，可用来改变或改善基材性能的某些要素。例如，透明，耐用且耐刮擦；增加或减少电导率或信号传输等。薄膜沉积厚度范围从纳米级到微米级。
 
薄膜沉积是许多光电、固态和医疗设备及产品生产中的重要制造步骤，包括消费电子产品、半导体激光器、光纤激光器、LED 显示器、滤光片、化合物半导体、精密光学、显微镜和微量分析样品载玻片和医疗植入物。
 

薄膜沉积工艺种类及优劣对比

微纳加工中最常用的薄膜沉积工艺是物理气相沉积（PVD）与化学气相沉积（CVD）。
 

物理气相沉积（PVD）是指在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。物理气相沉积的主要方法有，真空电子束或电阻蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。AEMD的电子束蒸发系统和溅射系统都属于物理气相沉积。

物理气相沉积（PVD） 可以分为热蒸发沉积和等离子体溅射沉积两大类，热蒸发沉积：电阻蒸发沉积、电子束蒸发沉积；等离子体溅射沉积：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、离子化PVD。

 

化学气相沉积（CVD）是使气态物质在固体的表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态薄膜的过程。主要分为四个重要的阶段：1、反应气体向基体表面扩散；2、反应气体吸附于基体表面；3、在基体表面上产生的气相副产物脱离表面；4、留下的反应物形成覆层。采用等离子和激光辅助等技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。

化学气相沉积（CVD）包括低压型（LPCVD）、常压型（APCVD）、原子层沉积（ALD）、等离子体增强型（PECVD）和金属有机化合物型（MOCVD）等

 

原子层沉积（ALD）是化学气相沉积(CVD)法的一种，是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，使这种方式每次反应只沉积一层原子。

 
各种薄膜沉积方式的优劣对比
工艺原子层沉积
(ALD)		物理气相沉积
(PVD)		化学气相沉积
(CVD)		低压化学气相沉积
（LPCVD炉管）
沉积原理化学表面饱和
反应-沉积		蒸发-凝固气相反应-沉积低压化学气相沉积
（炉管式）
沉积过程层状生长形核长大形核长大形核长大
台阶覆盖率优秀一般好好
沉积速率慢快快较慢
沉积温度低(＜500℃)低高更高
均匀性优秀
0.07 – 0.1nm		一般
5nm左右		较好
0.5 – 2nm

更好

厚度控制反应循环次数沉积时间沉积时间
气相分压		沉积时间
气体比
成分均匀杂质少无杂质易含杂质无杂质

 

薄膜种类及应用场景

薄膜种类分类薄膜沉积材料应用
半导体多晶硅SiH4（硅烷）MOS的栅极、高值电阻等
单晶硅SiH₂Cl₂（二氯硅烷; DCS)功率器件的单晶外延层等
SiHCl3（三氯硅烷；TCS）
SiCl4 （ 氯化硅; Siltet）
非晶硅SiH4（硅烷）α-Si太阳能电池、源极/漏极沟道区等
介电质Si02（二氧化硅）SiH4，O2
SiH4，N20
Si(OC2H5)4（四乙氧基硅烷）、O2/O3		应用最广泛的介电质薄膜，STI、栅氧化层、侧墙、PMD、IMD、阻挡层、硬掩膜等
Si3N4/SiN（氮化硅）SiH4、N2O、N2、NH3
C8H22N2Si [ 双(叔丁基氨基)硅烷 ]		刻蚀停止层 、硬掩膜 、钝化层等
SiON（氮氧化硅）SiH4、N2O、N2、NH3抗反射层、栅氧化层、硬掩膜等
PSG/BPSG
（ 磷硅 / 硼磷硅玻璃 ）		硅烷 、 硼烷 、 磷烷等PMD、钝化层等
Low- K（低介电）材料聚酰亚胺 （ PI ） 等在PMD中替代 SiO2
High-K （高介电）材料Hf、O2 、 SiO2 等在栅介质层中替代 SiO2
金属
金属化合物		W （ 钨 ）WF6 （ 六氟化钨 ）、SiH4 、H2电学薄膜、光学薄膜、硬质膜、耐蚀膜、接触孔、通孔、栅极等
WSi2/TiSi2
/CoSix/NiSi		WF6 、 硅烷等源/漏/栅极上的硅化物层
TiNTi[N(CH3)2]4 [ 四(二甲氨基)钛 ]阻挡层、金属栅等
TiTiCl4 （氯化钛）
Ta/TaN 
Au/Al/Cu 金属层、金属栅等

 

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