薄膜沉积是半导体器件制造过程中的一个重要环节，通过薄膜沉积工艺可以在晶圆上生长出各种导电薄膜层和绝缘薄膜层，为后续工艺打下基础。根据工作原理不同，薄膜沉积工艺可分为物理工艺、化学工艺和外延工艺三大类，所需的设备是薄膜沉积设备。本文是薄膜沉积设备的第一篇。

薄膜沉积工艺原理

薄膜沉积是在晶圆衬底上通过物理气相沉积等方法生长出的一层厚度非常薄的薄膜，这层薄膜可以是绝缘物质、半导体材料或者金属，因此按照材料的类型，沉积薄膜可分为半导体薄膜（Si）、介质薄膜（二氧化硅、氮化硅等）及金属薄膜（铝、铜、钨、钛等）：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

为了满足半导体器件性能要求，工艺上要求沉积薄膜具有好的台阶覆盖能力、填充高的深宽比间隙的能力、好的厚度均匀性、高纯度和高密地、受控制的化学剂量、高度的结构完整性、低的膜应力、良好的电学特性等。

薄膜生长的过程分为晶核合成、聚集成束和形成连续的膜三个步骤：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

成核是指少量原子或分子反应物结合起来，形成附着在晶圆表面上的分离的小膜层，晶核直接形成于表面。聚集成束也称之为岛生长，初步形成的晶核按照晶圆表面迁移率和束密度生长，之后随着岛的不断生长，直至形成连续的膜，这样便完成了薄膜的表面沉积。

薄膜沉积常见技术

本文开篇便提到，按照原理不同，薄膜沉积可分物理工艺、化学工艺和外延工艺三大类。再进行细分，物理工艺可分为溅射和蒸镀两类，化学工艺可分为化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

物理气相沉积PVD

物理气相沉积是在真空条件下，采用物理方法将固体或液体材料源表面气化成气体原子、分子或部分电离，通过低压气体或等离子体，在衬底表面沉积薄膜的技术，主要分溅射和蒸镀两大类：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

蒸镀是将镀料在真空中加热、蒸发，蒸发的原子或原子团在温度较低的衬底表面凝结并形成薄膜。以电子束蒸镀为例，用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料。溅射是将具有一定能量的入射粒子在衬底表面进行轰击时入射粒子与衬底表面原子发生碰撞并发生能量与动量转移，从而实现将衬底表面原子溅射出来的目的：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

电子束蒸镀的优点是束流密度高，可达到10^4-10^9W/平方厘米的功率密度，热量可直接加到蒸镀材料的表面，热效率高，热传导和热辐射损失较小，同时还可以满足钨、二氧化硅和氧化铝等难熔金属和氧化物等材料。电子束蒸镀缺点是电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发原子和残余气体分子分离，影响膜层质量；装置结构复杂，价格昂贵，而且易产生对人体有害的射线。实际上蒸镀最大的缺点是不能产生均匀的台阶覆盖，因此目前主流工艺不再适用此类设备，但在封装工艺还还有用武之地。

溅射的特点是任何物质均可溅射，二是膜层纯度较高，三是可重复性好，膜厚可控。但溅射的缺点是设备复杂，需要高压装置。溅射设备中磁控溅射因具有极佳沉积效率、大尺寸范围的沉积厚度控制、精确的成分控制及较低的启辉电压等优势成为应用最广泛的设备。

传统的溅射技术存在当特征尺寸缩小时溅射进入具有高深宽比的通孔和狭窄沟道的能力受限这一普遍性问题，为此离子化物理气相沉积被引入，目前在制作具有高深宽比的孔隙、沟槽的半导体器件中被广泛应用。

PVD设备厂商简介

在PVD设备领域美国应用材料一家独大，市场份额约占到全球的80%，其Endura系列PVD可用于逻辑IC和存储器等各类器件的薄膜沉积工艺，设备覆盖前道和后道工序：

资料来源：应用材料官网整理，阿尔法经济研究

国内PVD厂商主要是北方华创。北方华创的PVD采用的是磁控溅射技术，设备应用于90-14nm节点的薄膜沉积工艺。eVictor AX30 Al pad物理气相沉积系统主要用于后道封装中的Al金属互连工艺，平台配置8个工艺模块，可根据需求进行多样化配置。

硬掩膜工艺可以为金属互连线的形状提供精准控制，在集成电路制造中十分关键。低介电材料氮化钛作为硬掩膜材料应用广泛。氮化钛掩膜材料沉积对PVD设备的要求较高，其独特的甚高频技术，在中性应力和薄膜密度硬度之间达到了良好的平衡，从而提高产品良率，制造出高密度、低应力的薄膜。北方华创exiTexiTin H630 TiN金属硬掩膜PVD系统主要用于55-28nm节点12英寸金属硬掩膜工艺：

资料来源：北方华创官网整理，阿尔法经济研究

在PVD领域应用材料还是一家独大，但是北方华创在金属硬掩膜、铝衬垫设备上实现部分替代。有消息成北方华创在铜互连PVD领域打破应用材料垄断，但公司官网目前尚无相关设备信息，因此不再展开。下文接着说化学气相沉积CVD及相关厂商。

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