化學氣相沉積

化學氣相沉積英語:Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD)是一種用來產生純度高、效能好的固態材料的化學技術。半導體產業使用此技術來成長薄膜。典型的CVD製程是將晶圓(基底)暴露在一種或多種不同的前趨物下,在基底表面發生化學反應或/及化學分解來產生欲沉積的薄膜。反應過程中通常也會伴隨地產生不同的副產品,但大多會隨著氣流被帶走,而不會留在反應腔(Reaction chamber)中。

微製程大都使用CVD技術來沉積不同形式的材料,包括單晶、多晶、非晶及磊晶材料。這些材料有碳纖維、碳奈米纖維、奈米線奈米碳管SiO2矽鍺矽碳氮化矽、氮氧化矽及各種不同的高介電係數英語High-κ dielectric等材料。CVD製程也常用來生成合成鑽石

化學氣相沉積的種類

一些CVD技術被廣泛地使用及在文獻中被提起。這些技術有不同的起始化學反應機制(如活化機制)及不同的製程條件。

  • 以反應時的壓力分類
    • 常壓化學氣相沉積(Atmospheric Pressure CVD, APCVD):在常壓環境下的CVD製程。
    • 低壓化學氣相沉積(Low-pressure CVD, LPCVD):在低壓環境下的CVD製程。降低壓力可以減少不必要的氣相反應,以增加晶圓上薄膜的一致性。大部份現今的CVD製程都是使用LPCVD或UHVCVD。
    • 超高真空化學氣相沉積(Ultrahigh vacuum CVD, UHVCVD:在非常低壓環境下的CVD製程。大多低於10-6 Pa (約為10-8 torr)。註:在其他領域,高真空和超高真空大都是指同樣的真空度,約10-7 Pa。
  • 以氣相的特性分類
    • 氣溶膠輔助氣相沉積(Aerosol assisted CVD, AACVD):使用液體/氣體的氣溶膠的前驅物成長在基底上,成長速非常快。此種技術適合使用非揮發的前驅物。
    • 直接液體注入化學氣相沉積(Direct liquid injection CVD, DLICVD):使用液體(液體或固體溶解在合適的溶液中)形式的前驅物。液相溶液被注入到蒸發腔里變成注入物。接著前驅物經由傳統的CVD技術沉積在基底上。此技術適合使用液體或固體的前驅物。此技術可達到很多的成長速率。
  • 電漿技術(可參考電漿製程
    • 微波電漿輔助化學氣相沉積(Microwave plasma-assisted CVD, MPCVD)
    • 電漿增強化學氣相沉積(Plasma-Enhanced CVD, PECVD):利用電漿增加前驅物的反應速率。PECVD技術允許在低溫的環境下成長,這是半導體製造中廣泛使用PECVD的最重要原因。
    • 遠距電漿增強化學氣相沉積(Remote plasma-enhanced CVD, RPECVD):和PECVD技術很相近的技術。但晶圓不直接放在電漿放電的區域,反而放在距離電漿遠一點的地方。晶圓遠離電漿區域可以讓製程溫度降到室溫。
  • 原子層化學氣相氣相沉積(Atomic layer CVD, ALCVD):連續沉積不同材料的晶體薄膜層。參見原子層磊晶
  • 熱絲化學氣相沉積(Hot wire CVD, HWCVD):也稱做觸媒化學氣相沉積(Catalytic CVD, Cat-CVD)或熱燈絲化學氣相沉積(Hot filament CVD, HFCVD)。使用熱絲化學分解來源氣體。[1]
  • 快速熱化學氣相沉積(Rapid thermal CVD, RTCVD):使用加熱燈或其他方法快速加熱晶圓。只對基底加熱,而不是氣體或腔壁。可以減少不必要的氣相反應,以免產生不必要的粒子。
  • 氣相磊晶(Vapor phase epitaxy, VPE)

通常用於積體電路的沉積材料

本節討論通常用於積體電路的CVD製程。不同的材料會應用於不同的環境。

多晶矽

多晶矽是從矽烷(SiH4)沉積所得到的。使用以下反應:

SiH4 → Si + 2 H2

這種反應通常使用低壓化學氣相沉積系統(LPCVD),使用單純的矽烷或用70-80%的氮矽烷作為原料。在溫度在600°C至650°C之間,壓力為25~150帕斯卡的條件下,沉積速度在每分鐘10至20奈米之間。另一種製程使用氫為還原劑。氫氣會降低增長速度,所以溫度提高到850甚至1050℃進行補償。 多晶矽的沉積可以和摻雜同時進行。即把磷,砷或者乙硼烷加入CVD反應腔。乙硼烷的會令增長率增加,但砷化氫和磷化氫會令沉積速度減小。

二氧化矽

氮化矽

金屬

通常用於高分子聚合的沉積材料

聚對二甲苯(parylene)以及其衍生物

Parylene-N的單體經過高溫爐(約攝氏600-800度)裂解後會形成自由基,而最後隨著帶入的惰性氣體沉積在低溫的表面上

大多數parylenes是鈍化薄膜或塗層。這意味著他們保護的裝置可以防止水,化學品的侵害。這是一個重要的特點,然而在許多應用上都需要鍵結的其他材料在聚對二甲苯上,例如對二甲苯對二甲苯,對二甲苯表面固定催化劑或酶......。一些的反應性對二甲苯,例如:1.胺基對二甲苯(一個胺在每個重複單元,Kisco公司產品)2.一甲基胺對二甲苯(一甲基胺每個重複單元,Kisco公司產品)

一甲基胺對二甲苯比胺基對二甲苯有更大的反應性,因為它帶著更強的鹼基。當相鄰的苯環胺組,胺基,是在穩定的共振,因此變得更加酸性,相對鹼性較弱。然而[胺基對二甲苯]是更容易合成,因此它的成本較低。

參考文獻

  1. ^ Schropp, R.E.I.; B. Stannowski, A.M. Brockhoff, P.A.T.T. van Veenendaal and J.K. Rath. Hot wire CVD of heterogeneous and polycrystalline silicon semiconducting thin films for application in thin film transistors and solar cells (PDF). Materials Physics and Mechanics: 73–82.