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,但大多會隨着氣流被帶走,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。這些材料有矽、碳纖維、碳納米纖維、納米線、納米碳管、SiO2、矽鍺、鎢、矽碳、氮化矽、氮氧化矽及各種不同的高介電係數等材料。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。
- 以反應時的壓強分類
- 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,成長速度非常快。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。接着前驅物經由傳統的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)
- 微波等離子體輔助化學氣相沉積(Microwave plasma-assisted CVD,MPCVD)
- 等離子體增強化學氣相沉積法(Plasma-Enhanced CVD,PECVD):利用等離子體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(原子層沉積)。
- 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]
- 有機金屬化學氣相沉積(Metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD):前驅物使用有機金屬的CVD技術。
- 混合物理化學氣相沉積(Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition,HPCVD):一種氣相沉積技術,包含化學分解前驅氣體及蒸發固體源兩種技術。
- 氣相磊晶(Vapor phase epitaxy, VPE)
通常用於集成電路的沉積材料
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本節討論通常用於集成電路的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納米之間。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
SiH4+O2 → SiO2+2H2
氮化矽
使用以下反應:SiH4 + 4 N2O → SiO2 + 2 H2O + 4 N2.
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,而最後隨着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。這意味着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,因為它帶着更強的鹼基。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
- ^ 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. [2008-03-31]. (原始內容存檔 (PDF)於2020-05-13).