半导体“低压化学气相沉积（LPCVD）”工艺技术的详解；

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半导体技术是人类科学技术发展至今复杂的技术之一，被誉为现代制造业皇冠上的明珠，世界上复杂的物理化学理论和精密的设备，都能在半导体行业的生产线上见到，上章节我们跟大家分享了半导体薄膜沉积中的“等离子增强化学气相沉积（PECVD）”工艺技术，应粉丝的要求，本章节我们要聊的，就是当真空遇到化学气相沉积后所发生的美好事情——半导体薄膜沉积中的“低压化学气相沉积（LPCVD）”工艺技术的相关知识，有兴趣的朋友可以加入一起交流学习！

一、LPCVD的简介

低压化学气相沉积，英文全称：Low Pressure Chemical Vapor Deposition，简称：LPCVD。常用于半导体制造、光电子、薄膜太阳能电池等领域的材料沉积技术。其主要原理是利用低压环境下，气体源在基片表面反应，沉积出所需的薄膜材料。

LPCVD的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作压力，降低到大约133Pa以下的一种CVD反应。

同时，LPCVD也是将气体在反应器内的压力降低到大约133Pa进行沉积的反应。我们知道，在常压下，气体分子运动速率快于化学反应速率，成膜时会因为反应不完全形成孔洞，影响成膜质量。

通过真空泵将炉腔内抽成低压，使得在适当温度下，分子的运动速率慢于化学反应速率，提高了成膜质量。LPCVD是目前TOPCon薄膜沉积的主要技术，工艺成熟度高，有规模量产经验。

二、LPCVD的工作原理

LPCVD 是一种气相沉积技术，利用低于常压（通常为 1–10 Torr）的气压条件，使气态化学前驱物（反应气体）在基片表面发生化学反应，沉积形成薄膜。低压环境下，反应更可控，且能提供均匀的薄膜沉积。

它的反应过程是在低压下，气体源（通常是气态前驱物）被引入反应室。基片被加热到一定的温度，达到气体前驱物的反应温度范围。当气体分子与基片表面发生反应时，会分解或化学反应生成固态沉积物（薄膜材料），同时释放气体副产物。

三、LPCVD的工艺流程

LPCVD 的工艺步骤通常包括以下几个环节：

1、气体预处理：先通过气体混合、加热等方式，调节反应气体的性质。

2、基片准备：基片通常是硅片、玻璃等材料。基片需经过清洗和表面处理，以去除污染物和氧化物。

3、加热：将基片加热至所需温度。

4、气体引入：将化学前驱物气体引入反应室，单一气体或气体混合物。

5、反应与沉积：气体在低压条件下与基片表面发生反应，形成薄膜沉积在基片上。

6、废气排放及处理：反应产生的副产物和多余的气体被排出反应室并进行处理。

四、LPCVD工艺的优缺点

1、优点

具备较佳的阶梯覆盖能力，成膜质量好，可以控制膜的组成成份和结构，气体用量小，依靠加热设备作为热源来维持反应的进行，降低了颗粒污染源。设备投资少，占地面积小。

2、缺点

有绕镀，原位掺杂难，通常需二次磷扩，能耗大，石英耗材成本较高，不同尺寸硅片兼容性差。

五、LPCVD工艺的应用领域

LPCVD 广泛应用于多个领域，以下就是主要分布：

1、半导体制造

在半导体产业中，LPCVD 常用于以下几种薄膜的沉积：

（1）多晶硅（Polysilicon）：用于制造晶体管、集成电路（IC）的关键材料。

（2）氮化硅（Si₃N₄）：作为介电材料，常用于隔离层、保护层和绝缘层。

（3）氧化硅（SiO₂）：用于栅介质、电容器、隔离层等。

（4）金属薄膜（如钨、铜）：用于电路连接。

2、光电子与光伏

（1）硅薄膜太阳能电池：LPCVD 可用于沉积薄膜材料（如多晶硅），在太阳能电池中作为光电转换层。

（2）LED 和光电器件：在光电器件制造中，LPCVD 可用于沉积薄膜和功能层，如氮化物或氧化物层。

3、MEMS（微机电系统）

（1）薄膜沉积：用于制造 MEMS 结构中的各种薄膜层。

（2）微型传感器和执行器：如加速度计、压力传感器等。

4、其他应用

（1）光学涂层：如反射涂层、抗反射涂层等，用于镜头、显示器等光学元件。

（2）涂层保护：用于电子元件或其他工业产品表面的保护涂层。

六、LPCVD工艺技术在设备上的应用

1、LPCVD应用设备的简介

LPCVD 系统的主要配置通常如下：

（1）反应室：通常是一个密封的真空室，温度和压力可以精确控制。反应室内装有基片架，基片被加热并放置在架子上。

（2）气体源与流量控制：通过流量控制器来调节反应气体的流量。常用的气体源有氨气（NH₃）、三氯化硅（SiCl₄）、硅烷（SiH₄）、二甲基硅烷（DMS）等。

（3）加热系统：通常使用加热炉或电热板来提供必要的温度，以便气体源发生反应。

（4）真空系统：LPCVD 需要在低压环境下工作，因此需要配备真空泵和压力传感器来维持和控制反应室内的低压。

（5）废气排放处理系统：将反应产生的副产物及时排放处理，避免污染。

2、LPCVD设备特点

LPCVD低压高热环境提高了反应室内气体扩散系数和平均自由程，极大提高了薄膜均匀性、电阻率均匀性和沟槽覆盖填充能力。另外低压环境下气体物质传输速率较快，衬底扩散出的杂质和反应副产物可迅速通过边界层被带出反应区，反应气体则可迅速通过边界层到达衬底表面进行反应，因此在有效抑制自掺杂同时还可提高生产效率。再者LPCVD并不需要载子气体，因此大大降低了颗粒污染源，被广泛地应用在高附加价值的半导体产业中，用作薄膜的沉积。

3、LPCVD设备新的研发方向

对于很多微机械加工的常用材料，如氮化硅、多晶硅等，应力是不可避免的，在一些精密的MEMS工艺中需要较低的薄膜应力,以保证较小的器件形变。

（1）通过独特的气路、腔体结构设计，配合相应的工艺配方，成功实现了薄膜应力在较大范围内可控制，解决了由于薄膜应力存在，引起的变形、光学和力学性能改变的问题。

（2）满足客户对TEOS低压热解法工艺需求，对不同成膜速率多晶硅工艺需求并保证成膜均匀性和硅片翘曲度要求。

（3）多功能LPCVD设备与传统方式对比具有独特的技术，包括良好的薄膜工艺均匀性和重复性、独特的过滤系统保证腔室和器件具有良好的洁净度并易于维护、先进的颗粒控制技术、高精度温度场控制及良好的温度重复性、完整的工厂自动化接口、高速的数据采集算法等，同时具有丰富行业经验和成熟的配套工艺可满足客户对高端LPCVD设备需求。

七、LPCVD工艺技术面临的新挑战

在集成电路制造技术特征尺寸越来越小的趋势下，对LPCVD设备提出了更高的要求。

1、在低压化学气相淀积（Si3N4）工艺中存在的薄膜应力会引起变形，改变薄膜的光学和力学性能，过大的张应力会使薄膜发生断裂，而过大的压应力则会使薄膜发生翘曲，因此研究氮化硅薄膜的应力特性和低应力氮化硅技术是十分必要的。

2、在低压淀积多晶硅（LP-POLY）工艺中，客户对不同成膜速率工艺需求越来越多，而这需要更精确的控制。

3、LPCVD炉管设备还存在温度均匀性差、工艺重复性差、腔室和器件易污染不易维护、颗粒多的问题。

八、LPCVD新的研发方向

对于很多微机械加工的常用材料，如氮化硅、多晶硅等，应力是不可避免的，在一些精密的MEMS工艺中需要较低的薄膜应力,以保证较小的器件形变。

1、低应力、多功能LPCVD设备通过独特的气路、腔体结构设计，配合相应的工艺配方，成功实现了薄膜应力在较大范围内可控制，解决了由于薄膜应力存在，引起的变形、光学和力学性能改变的问题。

2、多功能LPCVD设备可以满足客户对TEOS低压热解法工艺需求，对不同成膜速率多晶硅工艺需求并保证成膜均匀性和硅片翘曲度要求，TEOS工艺薄膜均匀性片内≤2％、片间≤2％、批间≤2％；POLY工艺片内≤3％、片间≤3％、批间≤3％（成膜速率可达130-150 Å/min, 8000-10000 Å硅片翘曲度≤5um）。

3、多功能LPCVD设备与传统方式对比具有独特的技术，包括良好的薄膜工艺均匀性和重复性、独特的过滤系统保证腔室和器件具有良好的洁净度并易于维护、先进的颗粒控制技术、高精度温度场控制及良好的温度重复性、完整的工厂自动化接口、高速的数据采集算法等，同时具有丰富行业经验和成熟的配套工艺可满足客户对高端LPCVD设备需求。

最后总结一下

LPCVD是半导体薄膜淀积领域应用广泛的基础设备之一，短期内难以被其他膜淀积设备替代。随着集成电路、功率半导体和微机电系统行业的持续发展，制造商要求制备的薄膜品种不断增加，最终用户对薄膜的性能要求日益提高，同时新的制备方法随之不断涌现，并日趋成熟。无论从成本还是从淀积质量来说，ＮＡＵＲＡ低应力多功能 LPCVD设备都优于普通LPCVD，低应力多功能的引入，使得LPCVD设备广泛应用于薄膜淀积工艺，目前已拥有几十家客户成功应用的案例。

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