半导体工艺全流程之薄膜沉积
2025-07-31

在半导体行业中,薄膜常用于产生导电层或绝缘层、产生减反射膜提高吸光率、临时阻挡刻蚀等作用,由于薄膜是芯片结构的功能材料层,在芯片完成制造、封测等工序后会留存在芯片中,薄膜的技术参数直接影响芯片性能。


薄膜沉积的分类与危险气体 

薄膜的特性与晶粒尺寸密切相关,膜硬度、电导率和膜应力演化等均与晶粒尺寸相关,工艺难度非常大,薄膜生长有晶核形成、聚集成束、形成连续的膜三个过程。

由于半导体器件的高精度,薄膜通常使用薄膜沉积工艺来实现,晶圆表面的沉积物 会在晶圆表面形成一层连续密闭的薄膜。

这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料,如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、多晶硅以及钨等金属。

薄膜沉积按照原理不同可以分为物理工艺(PVD)和化学工艺(CVD)。

PVD(物理气相沉积)

PVD(物理气相沉积):在真空条件下,采用物理方法,将材料源(固体或液体) 表面 气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

PVD主要方法包括真空蒸度、溅射镀膜等, 不仅可沉积金属膜、合金膜, 还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等,所涉及材料包括所有固体(C、Ta、W)、卤化物和热稳定化合物。

PVD的三种基本工艺是真空或热蒸发、离子镀和溅射:

① 热(或真空)蒸发是一种古老的沉积工艺,用于在固体材料表面形成和生长薄膜。
② 溅射是PVD工艺中一个至关重要的工序。与蒸发不同,源不再是由热产生的,而是由离子撞击目标产生的。
③ 离子镀是在惰性气体放电系统中使用连续或间歇轰击,通过原子大小的高能粒子沉积薄膜,以修正和调节沉积薄膜的性质。

CVD(化学气相沉积)

CVD(化学气相沉积):主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。

CVD法可制作薄膜材料包括碱及碱土类以外的金属(Ag、Au)、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、金属 化合物、合金等。

化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术,包括大范围的绝缘材料,大多数金属材料和金属合金材料。薄膜的沉积可以通过改善表面性质,如磨损、疲劳、腐蚀、硬度和其他与表面相关的现象,使材料变得通用并用于不同的应用。

薄膜沉积工艺主要使用的气体

1.硅烷SiH4硅烷,在常温常压状态下是一种具有大蒜恶心气味的无色气体,化学式为SiH4,既属于可燃易爆气体,同时又属于对人体有毒有害的气体,爆炸极限为0.8%~98%,环境空气中的硅烷处于此浓度范围内时,遇明火、电弧、火花、高温等就有可能发生爆炸。

人体不慎吸入硅烷蒸气后,引起头痛、头晕、发热、恶心、多汗;严重者面色苍白,脉搏微弱,陷入半昏迷状态。

2.二氯硅烷SiH2Cl2二氯硅烷,在常温常压状态下是一种具有特殊气味的无色气体,化学式为SiH2Cl2,既属于可燃易爆气体,同时又属于对人体有毒有害的气体,爆炸极限为4.1%~96%,环境空气中的二氯硅烷处于此浓度范围内时,遇明火、电弧、火花、高温等就有可能发生爆炸。对上下呼吸道、皮肤和眼睛有腐蚀性和刺激性,人体不慎吸入后,有流泪、咳嗽、咳痰、呼吸困难、流涎等。可引起肺炎或肺水肿。眼接触可致灼伤,导致失明。

3.三氯硅烷SiHCl3,在常温常压状态下是一种无色液体,化学式为SiHCl3,具有一定的挥发性,其挥发蒸汽既属于可燃易爆气体,同时又属于对人体有毒有害的气体,爆炸极限为1.2%~90.5%,环境空气中的三氯硅烷蒸汽处于此浓度范围内时,遇明火、电弧、火花、高温等就有可能发生爆炸。对眼和呼吸道粘膜有强烈刺激作用。

4.四氯化硅SiCl4四氯硅烷,在常温常压状态下是一种有刺激性气味的无色或淡黄色发烟液体,化学式为SiCl4,具有强烈的挥发性,其挥发蒸汽属于对人体有毒有害的气体,对眼睛及上呼吸道有强烈刺激作用。高浓度可引起角膜混浊,呼吸道炎症,甚至肺水肿。皮肤接触后可引起组织坏死。主要用于制造有机硅化合物,如硅酸酯、有机硅油、高温绝缘漆、有机硅树脂、硅橡胶和耐热垫衬材料。

薄膜沉积是半导体工业中广泛的材料应用技术,而在现场安装使用有害气体报警器是为了对现场的硅烷SiH4、二氯硅烷SiH2Cl2、三氯硅烷SiHCl3和四氯化硅SiCl4等有害气体的浓度值进行检测,以免发生燃爆或人员中毒的危险。

气体检测系统与现场的通风系统、报警装置以及自动控制系统等紧密相连。当检测到危险气体浓度超过设定的安全阈值时,系统会立即触发声光报警,提醒现场人员采取必要的防护措施,如撤离危险区域、佩戴呼吸防护设备等。同时,系统会自动启动通风设备,将泄漏的气体及时排出,室内降低浓度,防止事故的进一步扩大。此外,还会自动关闭相关的气体供应阀门,切断危险气体的源头,进一步降低风险。