文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了集成電路制造中薄膜生長設(shè)備的架構(gòu)、原理和作用。

薄膜生長設(shè)備作為集成電路制造中實現(xiàn)材料沉積的核心載體，其技術(shù)演進與工藝需求緊密關(guān)聯(lián)，各類型設(shè)備通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化與機理創(chuàng)新持續(xù)突破性能邊界，滿足先進節(jié)點對薄膜均勻性、純度及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的嚴苛要求。

真空蒸鍍設(shè)備

真空蒸鍍設(shè)備以真空系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)為核心架構(gòu)，通過高真空環(huán)境降低氣體分子碰撞概率，保障蒸發(fā)原子定向沉積與薄膜純度。

電子束蒸鍍作為其重要分支，憑借3000～6000℃的高能量密度實現(xiàn)難熔金屬（如W、Mo）及化合物（如SiO?、Al?O?）的高純度沉積，但高能離子轟擊易引發(fā)襯底損傷，且X射線輻射需特殊防護，故在主流IC制造中逐步退居LED電極等特定場景應(yīng)用。

為改善大尺寸襯底均勻性，設(shè)備通過增加源基距與旋轉(zhuǎn)襯底優(yōu)化，但需權(quán)衡生長速率與材料利用率，體現(xiàn)工藝參數(shù)的精細調(diào)控特性。

直流物理氣相沉積

直流物理氣相沉積（DCPVD）依托陰極-陽極電場加速氬離子轟擊靶材，實現(xiàn)導(dǎo)體靶材的高效濺射，但啟輝電壓高導(dǎo)致電子轟擊強，且絕緣靶材因電荷累積易終止濺射。

磁控濺射設(shè)備

磁控濺射通過靶材背面磁體構(gòu)建交變電磁場，延長電子運動路徑并提升等離子體濃度，顯著降低啟輝電壓與靶材電壓，減少襯底損傷，同時提高沉積速率與大尺寸均勻性。

商用設(shè)備多采用旋轉(zhuǎn)磁體設(shè)計，平衡薄膜均勻性、靶材利用率及全靶濺射需求，避免固定磁場導(dǎo)致的靶材局部過度消耗與顆粒污染，體現(xiàn)動態(tài)磁場控制的技術(shù)進步。

射頻物理氣相沉積

射頻物理氣相沉積（RFPVD）以13.56MHz等射頻電源為激勵源，通過正負半周期交替實現(xiàn)靶材表面穩(wěn)定負電位，兼容導(dǎo)體與非導(dǎo)體靶材濺射，且低靶材電壓特性有效控制沉積粒子動能，優(yōu)化薄膜成膜結(jié)構(gòu)并降低襯底損傷，適用于超薄膜厚度精密控制場景。然而，低靶材電壓導(dǎo)致濺射產(chǎn)額降低，沉積速率不及DCPVD。為此，直流與射頻混合加載技術(shù)應(yīng)運而生，既維持低損傷特性又提升沉積速率，在金屬柵等精細結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)應(yīng)用價值，體現(xiàn)多電源協(xié)同的技術(shù)融合趨勢。

離子化物理氣相沉積設(shè)備

離子化物理氣相沉積設(shè)備聚焦高深寬比結(jié)構(gòu)覆蓋難題，通過金屬原子等離子化與晶圓片偏壓調(diào)控實現(xiàn)定向沉積。

其核心在于提升金屬離子比例以形成垂直離子流，技術(shù)路徑包括射頻線圈等離子體生成、高磁場磁控濺射源強化離子化率及自離子化技術(shù)。后者通過高磁場強度、低壓/零氬氣工藝（如銅自濺射）降低離子散射，增強臺階底部覆蓋并削弱溝槽口懸垂結(jié)構(gòu)，同時利用反濺射效應(yīng)優(yōu)化拐角覆蓋率。該技術(shù)已主導(dǎo)鋁互連隔離層、鎢栓塞黏附層及銅互連籽晶層制備，并與金屬CVD腔室集成，形成多工藝協(xié)同系統(tǒng)，適配先進節(jié)點精細結(jié)構(gòu)需求。

常壓化學(xué)氣相沉積

常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）在接近大氣壓環(huán)境下運行，憑借結(jié)構(gòu)簡單、成本低、沉積速率高及生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，成為工業(yè)大批量生產(chǎn)的主力設(shè)備。

其氣體控制、加熱、傳動、反應(yīng)腔室及尾氣處理系統(tǒng)協(xié)同工作，通過氣路精確調(diào)控與氣體噴射裝置實現(xiàn)反應(yīng)源均勻分布，電磁感應(yīng)或紅外加熱提供反應(yīng)熱源，多片/單片設(shè)備適配不同產(chǎn)能需求。然而，常壓環(huán)境導(dǎo)致氣體分子碰撞頻繁，易引發(fā)同質(zhì)成核顆粒污染，對腔室設(shè)計與維護提出嚴苛要求，需通過優(yōu)化氣體流動路徑與表面處理技術(shù)抑制顆粒生成，保障薄膜質(zhì)量。

低壓化學(xué)氣相沉積

低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）通過降低工作壓力至10-100mTorr并配合350-1100℃高溫，顯著增大氣體平均自由程與擴散系數(shù)，提升膜厚均勻性、電阻率一致性及階梯覆蓋性，同時減少自摻雜與反應(yīng)副產(chǎn)物滯留，實現(xiàn)過渡區(qū)陡峭的優(yōu)質(zhì)薄膜制備。設(shè)備采用熱壁/冷壁加熱系統(tǒng)，前者全腔體加熱需定期清潔內(nèi)壁沉積物，后者僅加熱晶圓片降低腔室污染，冷壁系統(tǒng)在單片設(shè)備中更趨主流。LPCVD持續(xù)向高產(chǎn)能、低溫化及新反應(yīng)源方向演進，適配氧化硅、氮化硅、多晶硅等傳統(tǒng)材料及氮化鎵、石墨烯等新興材料的高質(zhì)量沉積需求，在先進節(jié)點中支撐高精度、低缺陷薄膜的穩(wěn)定制備。

等離子體增強化學(xué)氣相沉積

等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）憑借等離子體激活反應(yīng)前驅(qū)物的特性，在低溫環(huán)境下實現(xiàn)高活性薄膜生長，成為熱敏感襯底結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝。其等離子體發(fā)生機制分為射頻（13.56MHz為主）與微波波段，采用電容耦合（CCP）直接生成等離子體或電感耦合（ICP）通過高頻電場加速電子產(chǎn)生高密度等離子體。

電容耦合因電離率較低，沉積速率相對受限；電感耦合則通過提升等離子體密度增強反應(yīng)活性，優(yōu)化沉積效率。PECVD廣泛應(yīng)用于集成電路后道金屬互連工藝，通過精準調(diào)控等離子體參數(shù)，可優(yōu)化薄膜密度、化學(xué)組分、應(yīng)力及機械韌性，滿足低損傷、高均勻性需求。近年，該技術(shù)向新型顯示、柔性電子等領(lǐng)域延伸，通過等離子體空間分布控制實現(xiàn)大面積均勻沉積，支撐柔性器件的可靠制造與性能提升。

原子層沉積設(shè)備

原子層沉積（ALD）設(shè)備依托自限制表面反應(yīng)機制，以準單原子層形式逐層生長，厚度控制精度達亞納米級，成為先進節(jié)點薄膜沉積的核心裝備。熱ALD依靠熱能驅(qū)動前驅(qū)物化學(xué)反應(yīng)，工作溫度區(qū)間200-500℃；等離子增強型ALD（PEALD）引入等離子體降低反應(yīng)激活能，工作溫度拓展至室溫至400℃，同時提升薄膜致密度并減少雜質(zhì)含量。ALD設(shè)備結(jié)構(gòu)涵蓋噴淋頭式、流型等設(shè)計，適配不同前驅(qū)物輸運需求，其低熱預(yù)算、高均勻性及優(yōu)異臺階覆蓋率特性，在柵極側(cè)墻、高k介質(zhì)、金屬柵及三維集成封裝中發(fā)揮關(guān)鍵作用。當前，ALD技術(shù)向多材料兼容、低溫工藝及高產(chǎn)能方向發(fā)展，支撐三維NAND、先進封裝等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密沉積，并拓展至二維材料、量子點等新興領(lǐng)域。

分子束外延系統(tǒng)

分子束外延（MBE）系統(tǒng)在超高真空（10??-10?11Torr）環(huán)境下，通過熱能原子/分子束流在襯底表面逐層外延生長單晶薄膜，實現(xiàn)厚度、界面、組分及雜質(zhì)濃度的原子級精確控制。系統(tǒng)由超高真空系統(tǒng)、分子束源、襯底加熱/傳輸裝置、原位監(jiān)測（如反射高能電子衍射儀RHEED）及控制系統(tǒng)組成，生長室為核心單元，配備源爐快門、冷卻系統(tǒng)及實時監(jiān)測模塊，確保生長過程可控。MBE技術(shù)起源于半導(dǎo)體單晶薄膜制備，現(xiàn)已擴展至Ⅲ-V族、Ⅱ-VI族、硅鍺、石墨烯、氧化物及有機薄膜等多材料體系，支撐微波器件、光電器件及量子材料的研發(fā)。其生長速率較慢、設(shè)備成本高的局限，通過多生長室配置、原位監(jiān)測優(yōu)化及自動化控制逐步改善。近年，MBE在二維材料、量子點及超晶格結(jié)構(gòu)的可控生長中取得突破，推動新型量子器件、光電子器件及超導(dǎo)材料的創(chuàng)新發(fā)展，成為前沿材料研究的核心平臺。

氣相外延系統(tǒng)

氣相外延（VPE）系統(tǒng)通過氣態(tài)化合物在襯底表面化學(xué)反應(yīng)生成單晶層，支持同質(zhì)（如Si/Si）與異質(zhì)（如SiGe/Si、GaN/Al?O?）外延，廣泛應(yīng)用于納米材料制備、功率器件、半導(dǎo)體光電器件、太陽能光伏及集成電路領(lǐng)域。

其核心在于反應(yīng)腔室設(shè)計優(yōu)化、氣流均勻性調(diào)控、溫度/壓力精準控制及顆粒缺陷抑制，主流商業(yè)設(shè)備朝大載片量、全自動控制及生長過程實時監(jiān)控方向演進。結(jié)構(gòu)形式涵蓋立式、水平式、圓筒式，加熱方式采用電阻、高頻感應(yīng)或紅外輻射——硅基厚膜外延多選用感應(yīng)加熱，薄膜則傾向紅外加熱以實現(xiàn)快速升降溫。典型硅/鍺硅VPE工藝以硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷為硅源，鍺烷、甲基硅烷為鍺/碳源，氫氣作載氣，支撐現(xiàn)代集成電路中高性能外延層制備。近年，VPE技術(shù)向大尺寸襯底均勻性提升、新型材料體系（如SiC、GaN）外延及原位摻雜控制方向突破，推動寬禁帶半導(dǎo)體器件與高效率光伏器件發(fā)展，同時結(jié)合原位監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)生長動力學(xué)實時調(diào)控，提升工藝窗口穩(wěn)定性。

液相外延系統(tǒng)

液相外延（LPE）系統(tǒng)通過溶質(zhì)在低溫溶劑中析出實現(xiàn)晶體生長，適用于Si、GaAs、AlGaAs等材料及Ⅲ-V族、碲鎘汞半導(dǎo)體器件制備，可制作光電器件、微波器件及太陽電池。

系統(tǒng)由氣體控制、加熱、控制、裝料室、反應(yīng)腔室及真空模塊構(gòu)成，類型分為水平滑動舟、垂直浸漬及旋轉(zhuǎn)坩堝（離心）系統(tǒng)。其優(yōu)勢在于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、生長速率快、可外延大厚度、摻雜劑選擇范圍廣且操作安全；局限包括大尺寸均勻性控制難、襯底要求高導(dǎo)致成本高、晶格失配超1%時難以生長、納米級厚度控制困難及表面質(zhì)量略遜于VPE。當前LPE設(shè)備多為實驗室或廠家自制，依賴高穩(wěn)定度電源保障溫度均勻性，通過溫度梯度調(diào)控優(yōu)化生長動力學(xué)。近年，LPE在特定領(lǐng)域如紅外探測器、高功率激光二極管中仍具應(yīng)用價值，尤其在需要大厚度外延層或特殊摻雜的場景中發(fā)揮不可替代作用，同時通過自動化控制與原位監(jiān)測技術(shù)提升工藝穩(wěn)定性與成品率，支撐新型器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。