薄膜沉积技术基本情况及对比
思瀚产业研究院    2023-12-11

（1）基本情况

薄膜沉积设备通常用于在基底上沉积导体、绝缘体或者半导体等材料膜层，使之具备一定的特殊性能，广泛应用于光伏、半导体等领域的生产制造环节。

（2）薄膜沉积设备技术基本情况及对比

薄膜沉积设备按照工艺原理的不同可分为物理气相沉积（PVD）设备、化学气相沉积（CVD）设备和原子层沉积（ALD）设备。

①PVD

物理气相沉积（PVD）技术是指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或分子，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镀膜技术主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。

②CVD

化学气相沉积（CVD）是通过化学反应的方式，利用加热、等离子或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术，是一种通过气体混合的化学反应在基体表面沉积薄膜的工艺，可应用于绝缘薄膜、硬掩模层以及金属膜层的沉积。

③ALD

薄膜沉积是指在基底上沉积特定材料形成薄膜，使之具有光学、电学等方面的特殊性能。薄膜沉积设备的设计制造涉及化学、物理、工程等多门学科的跨界综合运用，按工艺原理的不同可分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）设备，按设备形态的不同可分为批量式（管式）和空间型（板式）两种技术路线。

ALD 技术是一种特殊的真空薄膜沉积方法，具有较高的技术壁垒。通过ALD 镀膜设备可以将物质以单原子层的形式一层一层沉积在基底表面，每镀膜一次/层为一个原子层，根据原子特性，镀膜 10 次/层约为 1nm。由于 ALD 技术表面化学反应具有自限性，因此拥有多项独特的薄膜沉积特性：

1、三维共形性，广泛适用于不同形状的基底；

2、大面积成膜的均匀性，且致密、无针孔；

3、可实现亚纳米级的薄膜厚度控制。基于上述特性，ALD 技术广泛适用于不同场景下的薄膜沉积，在光伏、半导体、柔性电子等新型显示、MEMS、催化及光学器件等诸多高精尖领域均拥有良好的产业化前景。

ALD 技术通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应室并在沉积基底上发生表面饱和化学反应形成薄膜。典型的热原子层沉积（TALD）技术是利用加热为薄膜沉积过程中的化学吸附提供活化能。

④薄膜沉积设备技术之间对比

PVD为物理过程，CVD为化学过程，两种具有显著的区别。ALD也是采用化学反应方式进行沉积，但反应原理和工艺方式与CVD存在显著区别，在CVD工艺过程中，化学蒸气不断地通入真空室内，而在ALD工艺过程中，不同的反应物（前驱体）是以气体脉冲的形式交替送入反应室中的，使得在基底表面以单个原子层为单位一层一层地实现镀膜。

相比于ALD技术，PVD技术生长机理简单，沉积速率高，但一般只适用于平面的膜层制备；CVD技术的重复性和台阶覆盖性比PVD略好，但是工艺过程中影响因素较多，成膜的均匀性较差，并且难以精确控制薄膜厚度。

（3）ALD、PVD、CVD技术应用差异

PVD、CVD、ALD技术各有自己的技术特点和技术难点，经过多年的发展，亦分别发展出诸多应用领域。

原子层沉积可以将物质以单原子层形式一层一层地镀在基底表面的方法。从原理上说，ALD是通过化学反应得到生成物，但在沉积反应原理、沉积反应条件的要求和沉积层的质量上都与传统的CVD不同，在传统CVD工艺过程中，化学气体不断通入真空室内，因此该沉积过程是连续的，沉积薄膜的厚度与温度、压力、气体流量以及流动的均匀性、时间等多种因素有关；在ALD工艺过程中，则是将不同的反应前驱物以气体脉冲的形式交替送入反应室中，因此并非一个连续的工艺过程。ALD与CVD技术之间既存在明显的区分度，又在部分常规应用场景中存在可替代性。具体情况如下：

①在PERC电池背钝化Al的沉积工艺中，ALD技术与PECVD技术存在互相替代的关系

在2016年之前，PECVD在PERC电池背面钝化的应用被迅速推广，原因是在常规单晶电池制造工艺流程中，仅电池正面需要用PECVD镀SiNX，因此电池厂商选择PERC电池背面沉积Al的方法时，PECVD技术被优先用于Al的沉积。而当时的ALD技术在国外主要应用于半导体领域，大多属于单片式反应器类型，这种反应器虽然镀膜精度高，但产能较低。

②在TOPCon电池隧穿层即氧化硅层的沉积工艺中，ALD技术更具优势

在氧化硅隧穿层的制备中，目前较常见的有高温热氧化法、等离子体氧化法和PEALD技术。高温热氧化法能获得高质量的氧化硅层、较低的界面缺陷态密度，但其存在大尺寸硅片下容易受热不均匀、成膜反应速度慢等问题；等离子体技术结合NO虽然也被尝试用于氧化硅隧穿层的制备，采用等离子体轰击NO使其解离产生游离O从而氧化硅片表面，但采用该方法生长的氧化硅厚度较厚，对于1-3nm的厚度而言，该方法难以控制厚度，因此尚未实现在氧化硅隧穿层的产业化应用。

③ALD技术在半导体领域28nm及以下先进制程、存储器件中的典型应用中发挥举足轻重的作用

近年来，晶圆制造的复杂度和工序量大大提升，以逻辑芯片为例，随着90nm以下制程的产线数量增多，尤其是28nm及以下工艺的产线对镀膜厚度和精度控制的要求更高，特别是引入多重曝光技术后，工序数和设备数均大幅提高；在存储芯片领域，主流制造工艺已由2D NAND发展为3D NAND结构，内部层数不断增高；元器件逐步呈现高密度、高深宽比结构。由于ALD独特的技术优势，在每个周期中生长的薄膜厚度是一定的，拥有精确的膜厚控制和优越的台阶覆盖率，因此能够较好的满足器件尺寸不断缩小和结构3D立体化对于薄膜沉积工序中薄膜的厚度、三维共形性等方面的更高要求。ALD技术愈发体现出举足轻重的作用。