低压化学气相沉积工艺是什么？实现卓越的薄膜均匀性和纯度

本质上，低压化学气相沉积（LPCVD）工艺包括四个关键阶段。首先，前驱体气体被引入到包含待涂覆材料（衬底）的真空腔室中。其次，腔室被加热到高温，提供化学反应所需的能量。第三，这些气体在热衬底表面发生反应和分解，形成固态、高纯度的薄膜。最后，腔室被清除未反应的气体并冷却。

低压化学气相沉积是半导体制造中的一项基础技术，其备受推崇的主要原因在于：控制。通过将高温与极低压相结合，LPCVD能够生长出异常均匀和纯净的薄膜，即使是在具有复杂表面形貌的大批量衬底上也能实现。

LPCVD的基本原理

要真正理解这个过程，我们必须审视定义它的两个核心环境条件：低压和高温。这些并非随意设置；它们经过精确控制以实现特定的材料特性。

LPCVD的“低压”方面是其最显著优势的关键：均匀性。在真空（通常为10-1000 Pa）下操作显著增加了气体分子的平均自由程。

这意味着气体颗粒在相互碰撞之前会行进更远的距离。因此，它们可以在腔室中更自由、更均匀地扩散，以卓越的一致性涂覆衬底的所有表面——甚至多个垂直堆叠的衬底。

LPCVD是一个热驱动过程。高温（通常在500°C到900°C以上）提供了前驱体气体发生化学反应和分解所需的活化能。

这种反应主要发生在热衬底表面，而不是气相中。这种表面控制的反应使得致密、高质量薄膜能够缓慢、有序地逐原子生长。

前驱体是薄膜的组成部分。它们是含有您希望沉积的元素的挥发性化合物。

例如，要沉积氮化硅（Si₃N₄）薄膜，可以使用二氯硅烷（SiH₂Cl₂）和氨气（NH₃）作为前驱体气体。在高温下，这些气体在衬底上反应形成固态氮化硅，气态副产物被泵出。

LPCVD工艺在一个炉子（通常是一个长石英管）内部以高度受控的自动化顺序执行。

晶圆或其他衬底被装入炉中。然后腔室被密封并抽真空至目标低压。一旦真空稳定，精确流量的前驱体气体被引入腔室。

炉子升温至精确的工艺温度。这个温度必须在炉子的整个长度上保持极其稳定——通常在一度的几分之一之内——以确保每个衬底都经历相同的条件以实现均匀的薄膜生长。

随着温度和气体流量的稳定，沉积开始。前驱体气体在热衬底表面分解，逐渐形成所需的薄膜。这个阶段可以持续几分钟到几小时，具体取决于材料和所需的厚度，厚度范围可以从几纳米到几微米。

一旦达到目标厚度，反应性前驱体气体的流量停止。惰性气体（例如氮气）用于吹扫腔室，清除任何未反应的气体和反应副产物。然后炉子开始受控冷却序列，之后才能安全地取出成品衬底。

LPCVD是一种强大且广泛使用的技术，但它并非适用于所有应用。理解其优点和局限性是有效使用它的关键。

由于LPCVD是一个纯粹的热过程，它生产的薄膜具有很高的纯度和较低的内应力。它能够均匀涂覆复杂、高深宽比的沟槽和结构——这种特性被称为共形性——非常出色，是其被使用的主要原因。

LPCVD炉是批量系统，能够同时处理100到200个晶圆。这使得该工艺对于多晶硅、氮化硅和二氧化硅等基础层的批量制造具有极高的成本效益。

LPCVD的主要缺点是其高操作温度。这些温度可能会损坏或改变器件上先前制造的结构，例如铝互连线。这使得LPCVD不适合在制造过程后期发生的沉积步骤。

对于温度敏感的应用，通常使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。PECVD利用电场产生等离子体，为反应提供能量。这使得沉积可以在低得多的温度下进行（通常低于400°C），但通常以牺牲薄膜纯度和共形性为代价。

选择正确的沉积方法需要将工艺能力与材料要求和器件限制相匹配。

理解这些核心原理使您能够超越仅仅了解过程步骤，从而做出明智的工程决策。