半導(dǎo)體產(chǎn)線的三大核心設(shè)備之一薄膜沉積設(shè)備。

一、什么是薄膜沉積     

Q&A

二、PVD、CVD和ALD詳細(xì)介紹     

三、業(yè)內(nèi)兩種重要的PECVD介紹     

什么是薄膜沉積設(shè)備

四、全球半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備市場

生產(chǎn)型 TGV/TSV /TMV 高真空磁控濺射鍍膜機(jī)

一、什么是薄膜沉積   

簡單來說：薄膜沉積就是幫芯片“貼膜”的。

越精密、層數(shù)越多的芯片，“貼膜”的需求就越大。

越好的芯片，就得多多地貼。

專業(yè)來說：薄膜沉積設(shè)備分類薄膜沉積是指在硅片等襯底上沉積待處理的薄膜材料，所沉積薄膜材料主要是二氧化硅、氮化硅、多晶硅等非金屬以及銅等金屬，沉積膜可為無定形、多晶的或者單晶。

包括CVD（化學(xué)氣相沉積）、PVD（物理氣相沉積）和ALD（原子層沉積）等，其中ALD屬于CVD的分支。

Q&A:

為什么我們說越精密、層數(shù)越多的芯片，“貼膜”的需求就越大？

芯片制造就像給手機(jī)貼膜，只不過這層“膜”是納米級(jí)別的，而且需要貼幾十層甚至上百層！隨著芯片制程越來越精密，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，“貼膜”的需求也大幅增加。

制程越先進(jìn)，薄膜層數(shù)越多

在90nm制程的CMOS產(chǎn)線中，大約需要40道薄膜沉積工序，涉及6種材料；而到了3nm制程的FinFET產(chǎn)線，薄膜沉積工序增加到100道，材料種類接近20種。每一層“膜”都至關(guān)重要，少了任何一層，芯片都可能無法正常工作。

結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，貼膜難度越高

以存儲(chǔ)芯片為例，從2D NAND發(fā)展到3D NAND，結(jié)構(gòu)從平面變成立體，層數(shù)大幅增加，就像從單層平房變成了摩天大樓。每一層都需要精確“貼膜”，這對(duì)薄膜沉積設(shè)備的需求自然快速增長。

所以，薄膜沉積設(shè)備就是芯片制造的“貼膜大師”，越精密、層數(shù)越多的芯片，越離不開它。

二、PVD、CVD

1. PVD物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition）

物理氣相沉積是以物理機(jī)制來進(jìn)行薄膜沉積技術(shù)，過程不涉及化學(xué)反應(yīng)。

主要包括蒸鍍、濺鍍、電弧等離子體鍍膜、離子鍍膜、分子束外延鍍膜等幾大類。蒸鍍：是指在高真空腔體中通過電阻、電子束、高頻感應(yīng)、電弧和激光等蒸鍍?cè)磳?duì)蒸鍍材料進(jìn)行加熱，使之達(dá)到熔化、氣化溫度，使蒸鍍材料的原子或分子從其表面氣化逸出形成蒸汽流，入射到待蒸鍍基板表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的的一種鍍膜技術(shù)。

真空蒸鍍是目前OLED面板主流工藝。

濺鍍：通常指磁控濺鍍，是指利用帶電荷的粒子在電場中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，在1.3×10^-3Pa的真空狀態(tài)充入惰性氣體，并在基材(陽極)和金屬靶材(陰極)之間加上高壓直流電，由于輝光放電(glowdischarge)產(chǎn)生的電子激發(fā)惰性氣體，產(chǎn)生等離子體，將金屬靶材的原子轟出，沉積在基材上。

濺射鍍膜是應(yīng)用最廣泛的PVD。

分子束外延(MBE)：是一種特殊的真空鍍膜工藝，即沿襯底材料晶軸方向逐層生長薄膜。MBE可制備幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長不同組分、不同摻雜的薄膜而形成超薄層量子顯微結(jié)構(gòu)材料。

離子鍍：真空蒸鍍和濺射鍍膜的結(jié)合體，待鍍材料氣化后在放電空間部分電離，之后待鍍離子被電極吸引至基板沉積成膜。

由于較為復(fù)雜，離子鍍應(yīng)用范圍不廣。

總而言之，PVD工藝過程中，僅材料形態(tài)發(fā)生改變，不涉及化學(xué)反應(yīng)，屬于純粹的物理變化。半導(dǎo)體制造全過程中，PVD是沉積超純金屬、過渡金屬氮化物薄膜必不可少的關(guān)鍵工藝。

2.CVD化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）

介質(zhì)膜層和半導(dǎo)體膜層的沉積CVD是通過氣相化學(xué)反應(yīng)在基體表面沉積固體薄膜的鍍膜工藝，屬于化學(xué)反應(yīng)。

CVD反應(yīng)前體一般為硅烷、磷烷、硼烷、氨氣、氧氣等氣體原料，生成物一般為氮化物、氧化物、氮氧化物、碳化物、多晶硅等固體薄膜，反應(yīng)條件一般為高溫、高壓、等離子體等。

CVD成膜工藝一般包括八個(gè)步驟：

1. 反應(yīng)氣體傳輸至沉積區(qū)；
2. 膜先驅(qū)物形成；
3. 膜先驅(qū)物擴(kuò)散至基體表面；
4. 膜先驅(qū)物粘附；
5. 膜先驅(qū)物向膜生長區(qū)域擴(kuò)散；
6. 表面化學(xué)反應(yīng)，膜沉淀并逐漸生長，最終形成連續(xù)膜，同時(shí)生成副產(chǎn)物；
7. 副產(chǎn)物從基體表面移除；
8. 副產(chǎn)物從反應(yīng)腔移除。隨著工藝制程不斷進(jìn)步，溝槽、深孔填充等需求催生了新的CVD技術(shù)，目前主流應(yīng)用的技術(shù)有LPCVD、PECVD，未來發(fā)展方向有HDPCVD、SACVD。

業(yè)內(nèi)兩種重要的PECVD介紹：

按照等離子體發(fā)生的頻率來分，PE CVD中所用的等離子體可以分為射頻等離子體（Radio Frequency Plasma）和微波等離子體（Microwave  Plasma）兩種。

目前，業(yè)界所用的射頻頻率一般為13.56MHz。其中，射頻等離子耦合方式通常分為電容耦合（CCP）和電感耦合（ICP）兩種。

3.ALD原子層沉積（Atomic Layer Deposition）

ALD具備精準(zhǔn)的膜厚控制能力，沉積薄膜的厚度均勻性和一致性極為優(yōu)秀，且其臺(tái)階覆蓋能力非常強(qiáng)大，適合深槽結(jié)構(gòu)中的薄膜生長。ALD在SADP、HKMG、金屬銅互聯(lián)擴(kuò)散阻擋層等多道工藝中發(fā)揮重要作用。

ALD原理:通過氣相前驅(qū)體脈沖交替通入反應(yīng)器并在基底表面以單原子層的模式逐層成膜，反應(yīng)步驟包括：

1）前驅(qū)體A進(jìn)入反應(yīng)室并吸附在基體表面；

2）惰性氣體沖洗反應(yīng)室，將剩余的前驅(qū)體A清洗干凈；

3）前驅(qū)體B進(jìn)入反應(yīng)室并吸附在基體表面，與前驅(qū)體A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成目標(biāo)薄膜；

4）惰性氣體沖洗反應(yīng)室，將化學(xué)反應(yīng)生成的副產(chǎn)物清除出反應(yīng)室，完成一次原子層薄膜沉積。如此循環(huán)往復(fù)，即可實(shí)現(xiàn)單位原子層級(jí)的薄膜沉積。

三．什么是薄膜沉積設(shè)備

薄膜沉積是半導(dǎo)體關(guān)鍵設(shè)備。顧名思義，主要負(fù)責(zé)各工藝步驟中的介質(zhì)層與金屬層的沉積。

1. 真空和壓力控制系統(tǒng)組成：機(jī)械泵、分子泵、真空閥、真空計(jì)等。

功能：為沉積過程提供穩(wěn)定的真空環(huán)境，減少氮?dú)狻⒀鯕饧八魵鈱?duì)薄膜質(zhì)量的影響。采用干泵抽取低真空，避免油污染基片。采用分子泵抽取高真空，除水蒸氣能力強(qiáng)，確保反應(yīng)腔內(nèi)的潔凈度。

重要性：真空環(huán)境是薄膜沉積的基礎(chǔ)，直接影響薄膜的純度和均勻性。

2.淀積系統(tǒng)組成：射頻電源、水冷系統(tǒng)、襯底加熱器等。

功能：射頻電源：使反應(yīng)氣體離子化，生成等離子體，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。

水冷系統(tǒng)：為泵和反應(yīng)腔提供冷卻，防止設(shè)備過熱，并在超溫時(shí)觸發(fā)報(bào)警。冷卻水管路采用絕緣材料，避免電氣干擾。襯底加熱器：加熱襯底以去除表面雜質(zhì)，提高薄膜與襯底的附著力。

重要性：淀積系統(tǒng)是薄膜沉積的核心，直接影響薄膜的質(zhì)量和性能。

3.氣體及流量控制系統(tǒng)組成：氣體鋼瓶、氣柜、質(zhì)量流量計(jì)、氣體輸送管道等。

功能：

1. 氣源：由氣體鋼瓶提供反應(yīng)氣體（如硅烷、氨氣、氮?dú)獾龋?/span>
2. 氣體輸送：通過氣柜將氣體輸送至工藝腔體。

(3)流量控制：采用質(zhì)量流量計(jì)精確控制氣體流量，確保反應(yīng)氣體的比例和流量穩(wěn)定。

重要性：氣體流量控制直接影響薄膜的成分、厚度和均勻性。

4.反應(yīng)腔系統(tǒng)組成：反應(yīng)腔體、襯底托盤、氣體分布器、電極等。

功能：

(1)反應(yīng)腔體：提供薄膜沉積的反應(yīng)空間，通常由耐高溫、耐腐蝕材料制成。

(2)襯底托盤：固定襯底并確保其均勻受熱。

(3)氣體分布器：使反應(yīng)氣體均勻分布，確保薄膜沉積的均勻性。

(4)電極：在PECVD等工藝中，用于產(chǎn)生等離子體。

重要性：反應(yīng)腔是薄膜沉積的核心區(qū)域，其設(shè)計(jì)直接影響薄膜的質(zhì)量和性能。

5.控制系統(tǒng)組成：PLC（可編程邏輯控制器）、傳感器、人機(jī)界面（HMI）等。

功能：

(1)自動(dòng)化控制：通過PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)備各系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

(2)參數(shù)監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、壓力、氣體流量等關(guān)鍵參數(shù)。

(3)故障報(bào)警：在異常情況下觸發(fā)報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。

重要性：控制系統(tǒng)確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提高工藝的一致性和可靠性。

6.清洗與維護(hù)系統(tǒng)組成：清洗氣體（如NF?、CF?）、清洗管路、廢氣處理裝置等。

功能：

(1)腔體清洗：定期清除反應(yīng)腔內(nèi)的沉積物，避免污染。

(2)廢氣處理：處理反應(yīng)過程中產(chǎn)生的有害氣體，確保環(huán)保和安全。

重要性：清洗與維護(hù)系統(tǒng)延長設(shè)備壽命，保證薄膜沉積的穩(wěn)定性和一致性。

四、薄膜沉積設(shè)備國際市場

在半導(dǎo)體制造設(shè)備中，光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備是三大主要的設(shè)備，根據(jù)SEMI測算數(shù)據(jù)，光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備分別約占半導(dǎo)體設(shè)備市場的24%、20%和20%。

薄膜沉積設(shè)備是半導(dǎo)體產(chǎn)線的三大核心設(shè)備之一，其市場規(guī)模也將隨著工藝制程的進(jìn)步不斷增長。

2022年，全球薄膜沉積設(shè)備市場規(guī)模約為200億美元。預(yù)計(jì)到2026年，市場規(guī)模將增長至300億美元，年均復(fù)合增長率（CAGR）約為8-10%。

增長驅(qū)動(dòng)因素：

1.先進(jìn)制程需求：隨著半導(dǎo)體工藝制程向3nm、2nm及以下節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，薄膜沉積工序數(shù)量和復(fù)雜度大幅增加。例如，3nm制程的薄膜沉積工序比90nm制程增加了2.5倍。

2.存儲(chǔ)芯片升級(jí)：從2D NAND向3D NAND發(fā)展，薄膜沉積層數(shù)顯著增加。3D NAND的堆疊層數(shù)已從32層發(fā)展到200層以上，薄膜沉積設(shè)備需求隨之激增。

3.新興應(yīng)用推動(dòng)：5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)對(duì)高性能芯片的需求持續(xù)增長，帶動(dòng)薄膜沉積設(shè)備市場擴(kuò)張。

4.細(xì)分市場占比：CVD設(shè)備：約占薄膜沉積設(shè)備市場的60%，是最大的細(xì)分領(lǐng)域。PVD設(shè)備：約占薄膜沉積設(shè)備市場的25%。ALD設(shè)備：約占薄膜沉積設(shè)備市場的15%，但增速最快，預(yù)計(jì)未來五年CAGR將超過15%。

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