CVD技术如何推动半导体行业的发展？
CVD技术如何推动半导体行业的发展？
在半导体制造领域，薄膜生长设备发挥着至关重要的作用，是半导体制造中成本占比第三大的设备。其中，化学气相沉积（CVD）技术作为一项核心工艺，通过精确控制薄膜的生长条件，实现对半导体器件性能的精细调控，对于满足不同下游应用要求、提高器件的性能和集成度至关重要。
CVD技术的基本原理与特点
化学气相沉积（CVD）是半导体行业的一项重要技术，用于在半导体基底上生产硅、二氧化硅、氮化硅和金属膜等各种材料的高质量薄膜。该工艺是在温度、压力和气体成分受控的条件下，在基底上沉积一薄层材料。
CVD工艺主要包括以下几个步骤：
- 准备基片：在沉积过程之前，要对基底进行清洁和准备，以确保其不受任何可能干扰沉积过程的污染物的影响。
- 装载基底：将基底装入CVD室，然后密封并抽成真空。
- 引入前驱体气体：将前驱体气体引入腔室。这些气体在基底表面发生反应或分解，生成所需的薄膜沉积物。这些气体通常通过气体入口系统引入腔室。
- 沉积：前驱体气体在基底表面发生反应或分解，生成所需的薄膜沉积物。沉积过程由腔体中的温度、压力和气体成分控制。
- 净化：用惰性气体（如氮气或氩气）吹扫腔室，以去除任何未反应的前驱体气体。
- 卸载基质：沉积过程完成后，将基底从腔体中卸下。
CVD技术具有多种类型，包括大气压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）、超高真空CVD（UHVCVD）、等离子体增强型CVD（PECVD）、原子层CVD（ALCVD）、热丝CVD（HFCVD）和冷壁CVD（CWCVD）等。这些不同类型的CVD工艺可以根据具体的应用需求选择使用。
CVD技术在半导体工业中具有以下优点：
- 均匀性：CVD可以生产大面积的均匀和保形薄膜，这对于制造先进的微电子设备至关重要。
- 精确性：CVD能够生产出高质量的薄膜，并对厚度、成分和结构进行精确控制。
- 多功能性：CVD是一种多功能工艺，能够合成涂层、粉末、纤维、纳米管和整体元件。
- 自动化：CVD工艺自动化程度高，可用于沉积厚度从几纳米到几微米的薄膜。
CVD技术在半导体行业的具体应用
CVD技术在半导体制造中具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：
材料改变和控制：CVD过程可以改变和控制沉积薄膜的材料特性。通过选择不同的前体气体、调节反应条件，可以实现对薄膜的化学组成、晶体结构等方面的控制。
多层结构制备：CVD设备可用于制备多层结构，不同层的薄膜具备不同的性质，对于制造复杂的器件和集成电路至关重要。
纳米制造：CVD技术可应用于纳米制造领域，实现对纳米结构的精确控制，如在纳米线、纳米颗粒等的制备中，CVD是一种常见的工艺方法。
集成电路制造：CVD设备用于制备集成电路中的绝缘层、导体层和其他关键层，直接影响了集成电路的性能、功耗和稳定性。
光学薄膜：在光学元件的制造中，CVD设备用于沉积光学薄膜，如抗反射涂层、反射镜、透镜等，影响着光学器件的透过率、反射率等性质。
传感器制造：在传感器的制造中，CVD用于沉积对特定物理量敏感的薄膜，影响传感器的灵敏度和性能。
晶体生长：CVD还可用于生长晶体，通过在晶体基底上沉积一层层的原子或分子，可以制备具有特殊性质的晶体。
CVD技术可以生产多种类型的薄膜，包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、钨（W）、金刚石薄膜、碳纳米管和石墨烯等。这些薄膜具有独特的特性，广泛应用于各种领域。
CVD技术的最新研究进展
近年来，CVD技术在半导体领域的研究取得了重要突破。北京大学东莞光电研究院与南方科技大学、香港大学组成的联合研究团队，在金刚石薄膜材料制备和应用方面取得重要进展，成功开发出能够批量生产大尺寸超光滑柔性金刚石薄膜的制备方法。这一研究成果于2023年12月18日在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表。
目前，超薄金刚石主要通过切片大块金刚石或在异质基底上通过CVD（化学气相沉积）生长获得。但CVD法无法获得与硅基半导体技术完全兼容的大面积、分层形式的金刚石膜，切片法可以产生高质量的单晶金刚石，但该方法不适用于工业应用，因为所获得膜的尺寸和表面粗糙度受到激光和聚焦离子束处理的限制。
北京大学联合研究团队成功开发了切边后使用胶带进行剥离金刚石膜的方法，能够大量制备大面积（2英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平整（表面粗糙度低于纳米）、超柔性（可360°弯曲）的金刚石薄膜。制备的高品质薄膜具有平坦的可加工表面，能够允许进行微纳加工操作，超柔性特点使得能够直接用于弹性应变工程，以及变形传感应用，这是更厚的金刚石薄膜无法实现的。
金刚石被誉为“终极半导体材料”，具有卓越的载流子迁移率、导热性、介电击穿强度以及从红外到深紫外的超宽带隙和光学透明度。作为第四代半导体核心材料，金刚石半导体具有超宽禁带、高击穿场强、高载流子饱和漂移速度等材料特性。金刚石还是自然界中导热性能最好的材料之一，热系数远高于传统散热材料，有效降低电子设备的温度。另外，金刚石还具有优良的机械性能和化学稳定性，保证了设备的长期稳定运行。
正因为上述优点，采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率半导体器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈。全球各大芯片公司正加大力度投入研究。据报道，英伟达率先开展钻石散热GPU实验，性能是普通芯片的三倍；华为也公布钻石散热专利，例如，12月3日其公布一项名为“一种半导体器件及其制作方法、集成电路、电子设备”的专利，其中涉及到金刚石散热。
此外，全球首座金刚石晶圆厂计划于2025年开始生产单晶金刚石芯片。西班牙政府近日已获得欧洲委员会的批准，将向人造金刚石厂商Diamond Foundry提供8100万欧元的补贴，以支持其在西班牙建造一座金刚石晶圆厂的计划。
据市场调研机构Virtuemarket数据，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元，2024年~2030年的预测复合年增长率为12.3%。
中国是人造金刚石主要生产国，现有838家相关企业，2023年人造金刚石产量占全球总产量95%，且产业链具备绝对成本优势。
总结与展望
CVD技术作为半导体制造中的关键工艺，通过精确控制薄膜的生长条件，实现对半导体器件性能的精细调控，对于满足不同下游应用要求、提高器件的性能和集成度至关重要。随着北京大学研究团队在金刚石薄膜制备方面的突破，CVD技术有望在半导体领域发挥更大的作用。金刚石作为“终极半导体材料”，具有卓越的载流子迁移率、导热性等特性，有望突破传统半导体材料的性能瓶颈。未来，CVD技术将继续推动半导体行业的发展，为高性能电子设备的制造提供强有力的支持。