化工儀器網
技術文章
氣體冷卻機在CVD/PVD沉積工藝中的薄膜應力控制?
閱讀：67 發布時間：2025-6-4氣體冷卻機在CVD與PVD工藝中的作用：賦能晶圓級薄膜質量提升；
在半導體制造領域，化學氣相沉積（CVD）與物理氣相沉積（PVD）是薄膜制備的核心工藝。氣體冷卻機通過控制反應腔溫度與工藝氣體狀態，從熱力學根源化解上述難題，成為提升晶圓級涂層性能的裝備。
一、沉積工藝熱失控風險與控溫需求的深度解析
1.溫度波動對薄膜質量的致命影響
在CVD工藝中，溫度直接影響前驅體分解速率與氣相反應平衡。而在PVD濺射過程中，靶材溫度過高會導致金屬顆粒異常濺射，產生表面凸起缺陷。
2.工藝氣體溫度的鏈式反應機制
工藝氣體溫度不僅影響前驅體輸運效率，更直接調控反應動力學進程。
若進氣溫度不穩定，將導致分解速率波動，使晶粒尺寸分布不均，顯著降低薄膜導電性。氣體冷卻機通過將工藝氣體穩定在±0.5℃區間，確保反應速率恒定性，從源頭減少厚度偏差。
二、典型應用場景的技術實現路徑
場景1：氮化硅絕緣層沉積——氣體冷卻保障介電性能
在功率器件制造中，Si?N?薄膜需具備高絕緣強度與低應力特性。氣體冷卻機對氮氣實施溫控（典型值-10℃至5℃），實現三重優化：
抑制氣相成核，減少顆粒污染；
平衡Si-Cl鍵與N-H鍵反應速率，降低薄膜氫含量；
場景2：銅互連金屬化——靶材冷卻抑制濺射缺陷
先進制程銅互連工藝中，PVD靶材局部過熱會引發“微液滴濺射"。冷卻機采用二級制冷策略：
初級循環：-30℃乙二醇溶液冷卻靶材背板，維持表面溫度；
次級深冷：通入-70℃氬氣直接冷卻濺射區，減少熔融銅顆粒飛濺。
實測表明，該方案使晶圓表面顆粒缺陷密度降低。
三、技術突破與創新設計
1.高壓耐受性結構革新
針對PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）腔內>2.5MPa的高壓環境，冷卻機采用：
鈦合金板式換熱器：承壓強度達3.2MPa，耐腐蝕壽命提升；
多流道渦旋設計：在高壓下保持氣流湍流狀態，換熱效率提升。
2.動態PID溫控算法
傳統單回路PID在負載突變時易產生溫度過沖。創新采用主從雙PID回路架構：
主回路預測反應腔熱容變化趨勢；
從回路實時補償氣體比熱容波動；
隨著3nm以下制程對原子級沉積精度的需求比較多，氣體冷卻技術將與溫控模型、量子傳感測溫深度融合，開啟半導體制造的發展篇章。