化学气相沉积(CVD)

化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD) 

到目前为止，只谈到以高温炉管来进行二氧化硅层之成长。至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？ 

基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同之工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。 

按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」、及「电浆辅助化学气相沉积」： 

1、常压化学气相沉积 (Atmospheric Pressure CVD；APCVD) 

最早研发的CVD系统，顾名思义是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。欲成长之材料化学蒸气自炉管上游均匀流向硅晶，至于何以会沉积在硅晶表面，可简单地以边界层 (boundary layer) 理论作定性说明： 

当具黏性之化学蒸气水平吹拂过硅芯片时，硅芯片与炉管壁一样，都是固体边界，因着靠近芯片表面约1mm的边界层内速度之大量变化(由边界层外缘之蒸气速度减低到芯片表面之0速度)，会施予一拖曳外力，拖住化学蒸气分子；同时因硅芯片表面温度高于边界层外缘之蒸气温度，芯片将释出热量，来供给被拖住之化学蒸气分子在芯片表面完成薄膜材质解离析出之所需能量。所以基本上，化学气相沉积就是大自然「输送现象」(transport phenomena) 的应用。 

常压化学气相沉积速度颇快，但成长薄膜的质地较为松散。另外若晶圆不采水平摆放的方式 (太费空间)，薄膜之厚度均匀性 (thickness uniformity)不佳。 

2、低压化学气相沉积 (Low Pressure CVD；LPCVD) 

为进行50片或更多晶圆之批次量产，炉管内之晶圆势必要垂直密集地竖放于晶舟上，这明显衍生沉积薄膜之厚度均匀性问题；因为平板边界层问题的假设已不合适，化学蒸气在经过第一片晶圆后，黏性流场立即进入分离 (separation) 的状态，逆压力梯度 (reversed pressure gradient) 会将下游的化学蒸气带回上游，而一团混乱。 

在晶圆竖放于晶舟已不可免之情况下，降低化学蒸气之环境压力，是一个解决厚度均匀性的可行之道。原来依定义黏性流特性之雷诺数 观察，动力黏滞系数ν随降压而变小，如此一来雷诺数激增，而使化学蒸气流动由层流 (laminar flow) 进入紊流 (turbulent flow)。有趣的是紊流不易分离，换言之，其为一乱中有序之流动，故尽管化学蒸气变得稀薄，使沉积速度变慢，但其经过数十片重重的晶圆后，仍无分离逆流的现象，而保有厚度均匀，甚至质地致密的优点。以800oC、1 Torr成长之LPCVD氮化硅薄膜而言，其质地极为坚硬耐磨，也极适合蚀刻掩膜之用 (沉积速度约20分钟0.1微米厚。) 

3、电浆辅助化学气相沉积 (Plasma Enhanced CVD；PECVD) 

尽管LPCVD已解决厚度均匀的问题，但温度仍太高，沉积速度也不够快。为了先降低沉积温度，必须寻找另一能量来源，供化学沉积之用。由于低压对于厚度均匀性的必要性，开发低压环境之电浆能量辅助 (电浆只能存在于10~0.001 Torr 下)，恰好补足低温环境下供能不足的毛病，甚至于辅助之电浆能量效应还高于温度之所施予，而使沉积速率高过LPCVD。以350oC、1 Torr成长之PECVD氮化硅薄膜而言，其耐磨之质地适合IC最后切割包装 (packaging) 前之保护层 (passivation layer) 使用 (沉积速度约5分钟0.1微米厚。) 

PECVD 与 RIE 两机台之运作原理极为相似，前者用电浆来辅助沉积，后者用电浆去执行蚀刻。不同之处在于使用不同的电浆气源，工作压力与温度也不相同。

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