低压气相淀积,是在27-270Pa的反应压力下进行的化学气相淀积。它的特点是:膜的质量和均匀性好,产量高,成本低,易于实现自动化。
一般工艺流程:装片——进舟——对反应室抽真空——检查设备是否正常——充N2吹扫并升温——再抽真空——保持压力稳定后开始淀积——关闭所有工艺气体,重新抽真空——回冲N2到常压——出炉。
化学气相沉积的制程,包含了热的传达、边界层的扩散(boundary-layerdiffusion),吸附于基板表面,反应物分解、表面扩散、副产物脱离表面等许多步骤,所以有很多个参数会影响沉积作用,如反应温度、压力、反应物流量、晶片摆置的位置和反应物的混合比例都是对是否能沉积出高品质的薄膜非常重要的因素。
因为上述的化学气相沉积制程的几个步骤是连续的,那个步骤是最慢的速率,将会決定此化学气相沉积的速率,亦即是速率決定步骤。速率決定步骤,一般可分成两大类,一类是气相质量输运(gas-phaseprocess),另一类是表面反应(surfaceprocess)。对于气相质量输运最主要的考量点是反应气体撞击到基板。这个模型要考虑气体横越过边界层(boundary-layer)的速度。而此边界层就是气体大量流动和基板表面之间的范围。反应物的传输过程是藉著气相的扩散来达成,而此气相扩散的速率,正比于扩散系数和横越此边界层的的浓度梯度(concentrationgradient)。因此物质传输的速率受沉积温度的影响比较小。另外一方面,在比较低的沉积温度時,表面反应的速率会降低,最后导致反应物到达的
速率比它们因表面反应所消耗的还要多,在这种沉积情況之下,就称为表面反应速率限制(surface-reactionlimited),反之在比较高的沉积温度下,表面反应速率会提高,最后导致反应物到达的速率远少于因在表面反应所消耗的,在这种沉积情況下,就称为物质传输限制(mass-transportlimited)。
在实际的制程中,从一种限制区域到另外一种限制区域的温度決定于这个反应的活化能(activationenergy)和在反应器內反应物的流量。一个制程当它是在表面反应速率限制的条件下,沉积的温度就是一个很重要的参数,要在整个反应器內有一很均匀的沉积速率,需要有一个能保持固定沉积速率的条件,也就是說,在任何地方,任一片晶片上的表面温度必须保持固定。此外,在这个情況下,反应物到达晶片表面的速度就不是非常重要,因为它们的浓度不会限制沉积的速率,因此它的反应器的设计就不是那么必要设计成能在每一片晶片上有相等的反应物流量。因此我们可以看出在低压化学气相沉积系统中,欲沉积的晶片可以垂直摆置而片与片之间的距离,可以很小,那是因为这个系统是操作在表面反应速率限制的模式下。
在低压化学气相沉积法的反应器中,反应压力約为1托耳以下,在此压力下,反应物气体的扩散系数约为在常压下的一千倍,而这是部份由于压力降低的平方根的调整,因此这净效应是反应物传输至基板表面的速率增加超过十倍,所以速率限制步骤是表面反应。通常表面反应速率会随著表面反应物浓度的增加而增加,及气相浓度分布不均匀而增加。而这气相浓度不均匀是因为某处反应物被空乏掉所造成的,举一个例子說明这个效应,当晶片被放置在靠反应物的出气端時,因而曝露在较低的反应物浓度环境中,比进气端低许多,而造成炉管的前后端沉积的厚度不均匀,因此为了沉积薄膜的均匀性,在反应炉管的前后两端,沉积的温度必须正确的调整。沉积的制程是落在物质传输限制的范围時,制程温度的精密控制就不那么必要,沉积速率的限制和温度的关系不是那么有关,另一方面,在控制反应物于各晶片的摆置点有相等的气体流量是最重要的,因为反应物的到达晶片表面速率,直接正比于反应腔內的浓度梯度,所以要保证在同一片的每个位置有相同的薄膜厚度,反应器的设计必需使所有晶片的每一点,都有相等的反应物流量,因此沉积二氧化硅的常压反应器,操作温度約为400℃,是落在物质传输限制的区域,所以被应用的反应器设计是水平摆置晶片的方式,以提供一均匀的气体供应。
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