物理气相沉积

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，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， 物理气相沉积是主要的表面处理技术之一。PVD(物理气相沉积)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。物理气相沉积的主要方法有：真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜和分子束外延等。相应的真空镀膜设备包括真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机。2021年是“十四五”开局之年，中国政府也推出了一系列激励政策来鼓励半导体产业发展，明确了半导体产业在产业升级中的重要地位，同时全球自2020年爆发的“芯片荒”在全球范围内愈演愈烈，却迟迟得不到缓解，各行各业都受到了一定的影响，受此影响包括仪器产业、新能源产业等在内的诸多产业都面临产品涨价、缺货的危机。危中有机，全球半导体行业的巨震却是中国半导体产业的发展契机。通过分析海关物理气相沉积设备的进口情况，可以从一个侧面反映出中国物理气相沉积设备市场的一些情况，进而了解到中国半导体产业的一些情况。海关统计中，根据物理气相沉积设备的应用领域将其分为制造半导体器件或IC的物理气相沉积装置 (84862022)和制造平板显示器用的物理气相沉积设备（PVD）（84863022）。 为了解2021年物理气相沉积设备的进出口情况，仪器信息网特别对2021年1-11月，物理气相沉积设备（商品编码84862022、84863022）进口数据进行了分析汇总，为大家了解中国目前物理气相沉积设备市场做一个参考。2021年1-11月物理气相沉积设备进口额变化（人民币/万元）2021年1-11月物理气相沉积设备进口数据商品名称进口额（元）数量（台）均价（元/台）制造半导体器件或IC的物理气相沉积装置6,273,882,9507098848918制造平板显示器用的物理气相沉积设备（PVD）4,290,243,27328015322297总计10,564,126,2239892021年1-11月，中国进口物理气相沉积设备总额约106亿元，总台数达989台，其中绝大部分用于制造半导体器件和集成电路，此类设备多达709台，总额约63亿元，占比高达59%。海关数据显示，去年全年的用于半导体器件和IC制造的PVD进口额约35.5亿元。可以看出今年用于集成电路和半导体器件的进口PVD设备总额明显增加。这表明，今年我国晶圆代工厂的建设热度不减，这也和如今的半导体投资热、芯片荒有关。2021年1-11月进口物理气相沉积设备贸易伙伴变化（人民币/万元）从进口PVD设备的贸易伙伴分布可以看出，主要进口的贸易伙伴为新加坡和美国，其中新加坡进口额最多且全部用于半导体器件和IC制造。新加坡处在马六甲海峡，扼太平洋及印度洋之间的航运要道，是全球海运的几大必经路线之一，战略地位十分重要——早在新加坡建国之前，“新加坡港”已发展成为国际著名的转口港。世界各国的将需要出口的货物运输到新加坡港，存放几天或几十天（其中20%的堆存时间仅为1天），然后再转运到进口国。由于新加坡的自由贸易港，通过新加坡的“转口贸易”可变成躲避贸易制裁的有效方式之一。从新加坡进口用于半导体器件和IC制造的PVD可能是为了规避以美国为首的西方集团对我国日益收紧的高端装备进口限制。进一步分析用于平板显示器制造的PVD数据发现，中国台湾、韩国和日本是此类PVD的主要贸易伙伴，且占比接近。而从用于半导体器件和集成电路制造的PVD主要贸易伙伴是新加坡、美国和瑞士。2021年1-11月物理气相沉积设备各注册地进口数据变化（单位/万元）那么这些物理气相沉积设备主要销往何处？通过对进口数据的注册地进行分析发现，上海市的PVD设备进口额最高约22亿元，占比约21%。其次福建和重庆市分列第二、第三。上海市的物理气相沉积主要用于集成电路或半导体器件生产中，这表明上海在新建或改造集成电路生产线上投入较大，对半导体设备的需求也在激增。而重庆市则正好相反，其进口PVD主要用于平板显示器生产中，在平板显示器用PVD注册地中排名首位，这可能和京东方在重庆的生产线有关，京东方是我国面板产业的龙头企业，其对进口额影响较大。近几年，重庆市也出台了一系列政策之前平板显示制造行业发展。而在平板显示器用PVD的注册地分布中可以看出，除了重庆市独占鳌头，福建省进口平板显示器用PVD仅次于重庆，这可能与位于厦门的天马微电子有关。重点商品物理气相沉积有哪些重点商品呢？对此，笔者查阅了海关总署，发现重点商品主要有2款。商品1：PVD磁控溅射镀膜线（商品编码：84862022）PVD磁控溅射镀膜线：形成导电膜,用于将产生的电流收集导出。商品1：镀膜机/制造平板显示器专用（商品编码：84863022）型号：Applied Materials牌/NAR 1400L(4Mo+5 Al)型。原理：本设备将工作腔抽成真空后灌入氩气,高温高压条件下氩气形成离子层,氩离子在电场作用下,高速冲击靶材(氧化铟锡),使靶材分离出的金属离子在电场作用下附在玻璃基板表面形成薄膜,玻璃基板即可导电。

薄膜沉积是半导体制造工艺中的一个非常重要的技术，其是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面扩散及在适当的位置下聚结，以渐渐形成薄膜并成长的过程。在一个新晶圆投资建设中，晶圆厂80%的投资用于购买设备。其中，薄膜沉积设备是晶圆制造的核心步骤之一，占据着约25%的比重。薄膜沉积工艺主要分为物理气相沉积和化学气相沉积两类。物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD)技术指在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、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。物理气相沉积原理可大致分为蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀，具体又包含有MBE等各种镀膜技术。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。随着技术的发展，PVD技术也不断推陈出新，出现了很多针对某几种用途的专门技术，在此特为大家盘点介绍各种PVD技术。真空蒸发镀膜技术真空蒸发(Vacuum Evaporation) 镀膜是在真空条件下，用蒸发器加热蒸发物质，使之升华，蒸发粒子流直接射向基片，并在基片上沉积形成固态薄膜，或加热蒸发镀膜材料的真空镀膜方法。其物理过程为：采用几种能源方式转换成热能，加热镀料使之蒸发或升华，成为具有一定能量(0.1~0.3eV) 的气态粒子(原子、分子或原子团)；离开镀料表面，具有相当运动速度的气态粒子以基本上无碰撞的直线飞行输运到基体表面；到达基体表面的气态粒子凝聚形核生长成固相薄膜；组成薄膜的原子重组排列或产生化学键合。电子束蒸镀技术电子束蒸镀（Electron Beam Evaporation）是物理气相沉积的一种。与传统蒸镀方式不同，电子束蒸镀利用电磁场的配合可以精准地实现利用高能电子轰击坩埚内靶材，使之融化进而沉积在基片上。电子束蒸镀常用来制备Al、CO、Ni、Fe的合金或氧化物膜，SiO2、ZrO2膜，抗腐蚀和耐高温氧化膜。电子束蒸镀与利用电阻进行蒸镀最大的优势在于：可以为待蒸发的物质提供更高的热量，因此蒸镀的速率也更快；电子束定位准确，可以避免坩埚材料的蒸发和污染。但是由于蒸镀过程中需要持续水冷，对能量的利用率不高；而且由于高能电子可能带来的二次电子可能使残余的气体分子电离，也有可能带来污染。此外，大多数的化合物薄膜在被高能电子轰击时会发生分解，这影响了薄膜的成分和结构溅射镀膜技术溅射镀膜技术是用离子轰击靶材表面，把靶材的原子被击出的现象称为溅射。溅射产生的原子沉积在基体表面成膜称为溅射镀膜。通常是利用气体放电产生气体电离，其正离子在电场作用下高速轰击阴极靶体，击出阴极靶体原子或分子，飞向被镀基体表面沉积成薄膜。射频溅射技术射频溅射是溅射镀膜技术的一种。用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统，由于常用的交流电源的频率在射频段，如13.56MHz，所以称为射频溅镀。在直流射频装置中，如果使用绝缘材料靶，轰击靶面的正离子会在靶面上累积，使其带正电，靶电位从而上升，使得电极间的电场逐渐变小，直至辉光放电熄灭和溅射停止。所以直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。磁控溅射技术磁控溅射技术属于PVD（物理气相沉积）技术的一种，是制备薄膜材料的重要方法之一。它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射设备使得镀膜厚度及均匀性可控，且制备的薄膜致密性好、粘结力强及纯净度高。该技术已经成为制备各种功能薄膜的重要手段。离子镀膜技术离子镀是在真空蒸发镀和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜新技术，将各种气体放电方式引入到气相沉积领域，整个气相沉积过程都是在等离子体中进行，其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。离子镀大大提高了膜层粒子能量，可以获得更优异性能的膜层，扩大了“薄膜”的应用领域。是一项发展迅速、受人青睐的新技术。广义来讲，离子镀膜的特点是：镀膜时，工件（基片）带负偏压，工件始终受高能离子的轰击。形成膜层的膜基结合力好、膜层的绕镀性好、膜层组织可控参数多、膜层粒子总体能量高，容易进行反应沉积，可以在较低温度下获得化合物膜层。多弧离子镀(MAIP)多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，蒸发物是从阴极弧光辉点放出的阴极物质的离子，从而在基材表面沉积成为薄膜的方法。多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的是弧光放电，而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。简单的说，多弧离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。分子束外延（MBE）分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜方法，是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子显微结构材料。分子束外延不仅可用来制备现有的大部分器件，而且也可以制备许多新器件，包括其它方法难以实现的，如借助原子尺度膜厚控制而制备的超晶格结构高电子迁移率晶体管和多量子阱型激光二极管等。我们在公车上看到的车站预告板，在体育场看到的超大显示屏，其发光元件就是由分子束外延制造的。脉冲激光沉积（PLD）脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD），也被称为脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation，PLA），是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。由脉冲激光沉积技术的原理、特点可知，它是一种极具发展潜力的薄膜制备技术。随着辅助设备和工艺的进一步优化，将在半导体薄膜、超晶格、超导、生物涂层等功能薄膜的制备方面发挥重要的作用；并能加快薄膜生长机理的研究和提高薄膜的应用水平，加速材料科学和凝聚态物理学的研究进程。同时也为新型薄膜的制备提供了一种行之有效的方法。激光分子束外延（L-MBE）激光分子束外延技术（L-MBE）是近年来发展起来的一项新型薄膜制备技术，是将分子束外延技术与脉冲激光沉积技术的有机结合，在分子束外延条件下激光蒸发镀膜的技术。L- MBE结合了PLD的高瞬时沉积速率（不需要考虑成分挥发时的热平衡问题等等）及MBE的实时检测功能，是一种改良的MBE方法。近年来，薄膜技术和薄膜材料的发展突飞猛进，成果显著，在原有基础上，相继出现了离子束增强沉积技术、电火花沉积技术、电子束物理气相沉积技术和多层喷射沉积技术等。目前，芯片制造过程中关键的PVD设备主要包括硬掩膜（Hard Mask ）PVD设备、铜互联（CuBS）PVD 以及铝衬垫（Al PAD）PVD，主要使用溅射镀膜技术。目前，主流物理气相沉积厂商包括，北方华创、合肥科晶、中科科仪、SPTS、ULVAC、Applied Materials、Optorun、那诺-马斯特、IHI Corporation、Lam Research、Semicore Equipment、Veeco Instruments、Oerlikon Balzers、Mustang Vacuum Systems、Singulus Technologies、KurtJ.Lesker、博远微纳、汇成真空、佛欣真空、北京丹普、九鼎精密、意力博通、CHA Industries、Angstrom Engineering、Denton Vacuum、Mantis、沈阳科学仪器有限公司等。更多仪器请查看以下专场【物理气相沉积】、【激光脉冲沉积】、【分子束外延】。

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