化学气相沉积:产业化绕不开的隐形硬伤

去年给国内某头部碳化硅厂调外延工艺,12片6英寸衬底进去,出来8片堆密度超标,直接报废,小二十万打了水漂。

你以为的CVD,根本不是论文里那回事

说白了化学气相沉积就是这么回事:把带目标元素的反应气体怼进密闭腔体,碰到加热的衬底就分解反应,最后沉积一层想要的膜。说起来简单,对不对?

论文里写的永远是反应均匀性99%,沉积效率95%,实际进量产线你试试。我实测过,同一片12英寸硅片,边缘的沉积速率比中心低37%,就因为腔体进风口的气流分布,差一毫米都不对。我们前前后后调了三个月的气流挡板角度,从15度改到27度,每改一次就要拆腔体清灰抽真空,整整三天才能出一批数据,你说折腾不折腾。

半导体晶圆化学气相沉积腔体内部结构
半导体晶圆化学气相沉积腔体内部结构

刚入行的工程师小孩,拿着SiH4和CVD的反应方程式能给你讲半小时成核机理,实际让他拧腔体的石英密封法兰,力气大了直接拧碎石英,力气小了漏真空,抽12小时都抽不到1e-7托。说出去谁信?

实验室里做样品,哪管什么成本什么良率,挑个几十片里最好的拍个照就能发文章,量产你能这么玩吗?一片衬底大几千,废个几片就是一个月工资没了。

参数卡得越死,坑踩得越深

现在下游客户张嘴就要厚度公差±1%,均匀度差一点都不收。说实话,为了满足这个要求,我们把腔体的温度波动控到±0.5℃,气体流量控到±0.1sccm,光这套控温控流的设备,成本直接涨了40%

有用吗?有一点,但没用在点子上。实测发现,哪怕你所有工艺参数都和工艺卡分毫不差,衬底进腔体之前沾了一根0.1微米的绒毛,整层膜的成核就乱了,出来直接就是废片。

我去年见过最扯的事,某顶流高校发了正刊,说用CVD做出来30英寸的单层均匀石墨烯,国内一堆厂子跟着砸钱买设备调工艺,结果呢?照着人家给的参数复现,做了三次,最大的完整石墨烯才不到8英寸,还满是褶皱。为什么?人家用的是定向原子级抛光的单晶晶圆做衬底,一片三万多啊!你量产能用这种衬底吗?成本摊到下游,谁买得起?

化学气相沉积生长石墨烯缺陷光学检测图
化学气相沉积生长石墨烯缺陷光学检测图

说白了,现在行业里的标准参数,都是给实验室样品准备的,真搬到量产线上,全是坑。你越卡那些论文里的参数,死得越快。

没人愿意明说的死结

没人愿意明说的死结
没人愿意明说的死结

化学气相沉积产业化到今天,绕不开的根本硬伤只有一个:所有的沉积过程都是开环盲沉

你能精准控制进气的流量、腔体的温度、真空度,这些都是腔体里的宏观参数,你根本没法实时知道衬底表面的反应速率、成核密度,说白了就是闭着眼睛瞎沉,到点开门拿出来测,不合格直接扔。

有人说加原位监测啊?现在能用到量产上的原位监测,最多也就测个膜厚的变化,根本看不到表面的成核缺陷。那些能看原子级的原位表征,要么体积太大塞不进量产腔体,要么采样速度慢到跟不上秒级的反应变化,一套设备加原位监测要多花几百万,摊到每片晶圆上,成本直接翻一倍,根本卖不动。

还有尾气处理的坑,我做过统计,CVD生产的尾气处理成本,能占到生产总成本的22%。什么氟化物、砷化氢、磷烷,哪一个不是有毒有害,现在环保卡得这么严,你不处理根本不能开工,处理的话成本就是降不下来。

不过话说回来,现在不管是碳化硅外延,还是刀具涂层,还是下一代二维材料,根本绕不开CVD,没人能替换它。但那些天天喊着CVD要变革半导体产业的,怎么不说这些烂事?

全行业都在缝缝补补,改改腔体调调参数,就是没人碰核心的盲沉问题。什么时候能做到实时调控衬底表面每一个点的成核反应了,再说降本良率99%吧,现在吹的那些,大半都是拿实验室样品骗资本的,而已。

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