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薄膜生长技术

薄膜生长技术

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套用。薄膜的生长是半导体製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。

基本介绍

  • 中文名:薄膜生长技术
  • 外文名:Thin film growth technology
  • 领域:半导体
  • 方法:物理方法和化学方法
  • 目的:提高薄膜质量和减少能耗
  • 常见技术:物理气相沉积和化学气相沉积

简介

积体电路在製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,这些膜层的製备对于积体电路的製造非常重要。薄膜生长技术,也可称作製作膜层的方法,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、热分解沉澱、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,因此在积体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,热氧化法主要分为乾氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化法三种,其中乾氧氧化和湿氧氧化是最常用的方法。乾氧氧化法採用纯氧作为氧化剂,生长的氧化膜表面乾燥、结构緻密、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乾氧氧化法。在实际生成过程中,通常採用乾-湿乾相结合的氧化方式。

物理气相沉积

物理气相沉积(Physical vapor deposition,PVD)是一种工业製造上的工艺,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,物理气相沉积适用範围广泛,几乎所有材料的薄膜都可以用物理气相沉积来製备,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、和脉冲雷射沉积等。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(通常来自电浆)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澱积累在半导体晶片或玻璃、陶瓷上而形成薄膜。
脉冲雷射沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD),也被称为脉冲雷射烧蚀(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雷射于真空腔体中对靶材进行轰击,由于雷射能量强,会将靶材汽化形成等离子蕈状团(plasma plume),并沉澱于基板上形成薄膜。
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。
于脉冲雷射沉积的过程中,雷射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。
微製程大都使用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製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。

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