在半导体制造中，薄膜沉积是将一层受高度控制的薄材料应用于硅晶圆上的基本过程。这不仅仅是一种涂层；它是一个原子级别的构建过程，用于构建微芯片的功能层。实现这一目标的两种主要方法是化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
薄膜沉积的核心挑战是将源材料转化为蒸汽，将其输送，并使其在晶圆表面凝结或反应，形成完美均匀且纯净的固体层。在化学方法（CVD）和物理方法（PVD）之间进行选择，完全取决于所沉积的特定材料及其在最终集成电路中的作用。
目标：逐层构建芯片
在深入研究这些方法之前，了解为什么需要这些薄膜至关重要。现代微处理器就像摩天大楼一样建造，在硅基板上堆叠了数十个复杂的层。
什么是“薄膜”？
薄膜是厚度从几纳米到几微米不等的材料层。每种薄膜都有特定的用途，充当导体（如铜线）、绝缘体（如二氧化硅）或半导体（晶体管的活性部分）。
通用工艺流程
无论使用何种特定技术，所有沉积过程都遵循相似的高层顺序：
- 源材料： 选择纯净的源材料（称为靶材或前驱体）。
- 传输： 将这种材料转化为蒸汽状态，并通常在真空室中输送到晶圆上。
- 沉积： 汽化后的材料沉积到基板（晶圆）上，形成固体薄膜。
- 处理： 薄膜可能会经过热处理（退火）以改善其晶体结构和性能。
化学气相沉积（CVD）：通过反应进行构建
由于其无与伦比的精度和创建高度均匀层的能力，CVD是半导体行业中最广泛使用的沉积方法。
CVD的核心原理
CVD不是物理移动最终材料，而是使用化学反应。将前驱体气体引入装有加热晶圆的腔室中。这些气体在热表面上发生反应，沉积所需的固体材料，并留下被泵走的挥发性副产物。
CVD工艺的工作原理
该过程可以通过两个关键阶段来理解：成核和生长。
- 成核： 气态前驱体分子被吸附到晶圆表面上。
- 生长： 这些分子发生化学转化，形成所需材料的固体核。这些核膨胀并合并，最终形成连续的高质量薄膜。
为什么CVD是行业的支柱
CVD的主要优势在于其生产保形涂层（均匀覆盖）的能力。由于沉积是由化学反应驱动的，因此薄膜在晶圆上复杂的三维结构上均匀形成，这对于现代晶体管架构至关重要。
物理气相沉积（PVD）：直接移动物质
PVD涵盖了一系列技术，这些技术将原子从源材料直接物理地转移到晶圆表面。这在高度真空的环境中进行，以确保纯度。
PVD的核心原理
PVD本质上是一个视线过程。可以将其视为原子级别的喷漆，其中单个原子从源材料中喷射出来，并直线传播以覆盖基板。
溅射法
溅射是最常见的PVD技术。它涉及用高能离子（通常是氩气）轰击源材料的固体靶材。这种碰撞会物理地将原子从靶材上撞击下来，然后这些原子传播并沉积到晶圆上。
蒸发法
另一种PVD技术是蒸发。在此过程中，源材料在真空中加热直到沸腾，产生蒸汽。然后，该蒸汽传输到较冷的晶圆上并在其表面凝结，形成薄膜。
理解权衡
在CVD和PVD之间进行选择，不是哪个“更好”，而是哪个适合正在构建的特定层。
CVD的优势：复杂几何形状
CVD非常擅长在复杂的绝缘体（如二氧化硅）和半导体（如多晶硅）上创建均匀的保形层。其化学性质使其能够均匀地覆盖深沟槽和复杂地形的内部。
PVD的优势：高纯度金属
PVD是沉积纯金属的首选方法，这些金属用于芯片上的布线（互连）。由于它是一个物理过程，它可以沉积通过化学反应难以产生的材料。其主要限制是它在复杂表面上的性能不佳，因为它难以覆盖“阴影”区域。
决定因素：该层的功能
决定取决于所需的材料和晶圆的表面形貌。绝缘体需要完美覆盖所有区域，因此CVD是理想选择。金属互连需要高纯度，并且通常沉积在更平坦的表面上，这使得PVD成为更有效的选择。
将工艺与您的目标相匹配
要构建功能性器件，工程师会结合使用这些技术，为每一特定层选择正确的工具。
- 如果您的主要重点是在复杂表面上创建高质量、均匀的绝缘层： CVD是其卓越的保形涂层能力的决定性选择。
- 如果您的主要重点是沉积用于电气布线的纯金属薄膜： PVD，尤其是溅射，因其速度、纯度和控制力而成为行业标准。
- 如果您的主要重点是生长完美的晶体半导体层： 需要先进的、高度控制的CVD技术来管理薄膜的精确成核和生长。
最终，这些沉积过程是将空白硅晶圆转变为强大而复杂的集成电路的基本构建技术。
总结表：
| 方法 | 核心原理 | 最适合 | 主要优势 |
|---|---|---|---|
| 化学气相沉积 (CVD) | 气体在加热的晶圆表面上发生化学反应。 | 绝缘体、半导体（例如 SiO₂、多晶硅） | 在复杂 3D 结构上进行保形涂层。 |
| 物理气相沉积 (PVD) | 原子从源材料物理转移到晶圆上。 | 纯金属（例如铜互连） | 高纯度薄膜，对平面有效。 |
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