半导体制造设备系列(6)-薄膜沉积设备

薄膜沉积是芯片制造的核心工艺环节，薄膜沉积设备是芯片生产核心设备，设计制造技术难度大，产业化验证周期长。由于薄膜是芯片结构的功能材料层，在芯片完成制造、封测等工序后会留存在芯片中，薄膜的技术参数直接影响芯片性能。在晶圆制造过程中，薄膜起到产生导电层或绝缘层、阻挡污染物和杂质渗透、提高吸光率、临时阻挡刻蚀等重要作用。随着集成电路的持续发展，晶圆制造工艺不断走向精密化，芯片结构的复杂度也不断提高，需要在更微小的线宽上制造，制造商要求制备的薄膜品种随之增加，最终用户对薄膜性能的要求也日益提高。 

一、薄膜沉积设备的原理及分类：

薄膜沉积工艺在半导体制程中应用广泛，根据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. 薄膜沉积方法分类

物理气相沉积PVD是指是用物理的方法使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法，主要有蒸镀、 溅射和离子镀等。特点是沉积材料纯度佳、品质稳定、温度低、速度快、制造成本较低。主要用于金属薄膜的沉积。其中， 蒸镀是在真空环境中把蒸镀材料加热熔化后蒸发，使其大量原子、分子、原子团离开熔体表面，凝结在工件表面上形成镀膜。溅射是用高能粒子（通常是由电场加速的正离子）冲击固体表面，固体表面的原子、分子与这些高能粒子交换动能， 从而由固体表面飞溅出来，飞溅出来的原子及其他离子在随后过程中沉积凝聚在工件表面形成薄膜镀层，称为溅射镀膜。离子镀是在真空条件下，利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材料导入到一个反应室内， 气态原材料相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。特点是用途广泛、 不需要高真空、 设备简单、可控性和重复性好、适合大批量生产。主要用于介质/绝缘材料薄膜的生长。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表面的方法， 是一种原子尺度的薄膜制备技术， 本质属于 CVD 的一种，特点是可以沉积均匀一致，厚度可控、成分可调的超薄薄膜， ALD 方法既可以沉积介质/绝缘薄膜，也可以进行金属薄膜的沉积。随着纳米技术和半导体微电子技术的发展，器件和材料的尺寸要求不断地降低，同时器件结构中的宽深比不断增加，这样就要求所使用材料的厚度降低至十几纳米到几个纳米数量级。相对于传统的沉积工艺， ALD 技术具有优异的台阶覆盖性、 均匀性和一致性， 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代的技术， 具有很大发展潜力和应用空间。

二、薄膜沉积设备的市场规模

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

图4. 全球薄膜沉积设备市场规模及预测 

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