薄膜沉积设备CVD和PVD对比分析

■薄膜沉积技术是半导体、光伏等产业发展不可或缺的关键工艺。薄膜沉积技术是指在真空下将各种方法获得的气相原子或分子沉积在基材表面以获得离型层薄膜的技术。不仅适用于超硬、耐腐蚀、耐热、抗氧化机械薄膜的制备，还适用于磁记录、信息存储、光敏、热敏、超导等功能薄膜的制备、光电转换；此外，还可用于制备装饰涂料。近20年来，薄膜沉积技术发展迅速，现已广泛应用于机械、电子、装饰等领域。薄膜沉积技术根据成膜机理的不同主要分为物理、化学和外延过程三大过程。

■CVD设备的种类较多。目前PECVD是主流技术，未来市场份额有望进一步提升。 CVD是指利用气态或蒸气状物质在气相或气固界面发生反应形成固体沉积物的过程。它是近几十年发展起来的无机材料制备新技术。化学气相沉积已广泛应用于提纯物质、开发新晶体以及沉积各种单晶、多晶或玻璃状无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，或者是III-V族、II-IV族、IV-VI族的二元或多元素间化合物，它们的物理功能可以通过气相传递。掺杂沉积过程受到精确控制。 CVD涂层具有良好的重复性和台阶覆盖性，可用于SiO2、Si3N4、PSG、BPSG、TEOS等介质薄膜以及半导体、金属（W）及各种金属有机化合物薄膜的沉积。 CVD的种类很多，根据腔室压力、外部能量等可大致分为APCVD、LPCVD、SACVD、PECVD、MOCVD等类别。CVD设备的反应源容易获得，涂层成分为种类繁多，设备相对简单。特别适用于形状复杂零件的表面和内孔的涂装。

■PVD设备沉积速度快、沉积温度低、物理手段环保，更适合精密复杂硬质合金刀具的涂层。 PVD是指在真空条件下采用高温蒸发或高能粒子等物理方法轰击靶材，使靶材表面的原子“蒸发”并沉积在基材表面。沉积速率高，一般适用于各类金属、非金属、化合物。薄膜层的平面沉积。根据沉积时物理机理的不同，物理气相沉积一般分为真空蒸发镀膜技术、真空溅射镀膜、离子镀膜和分子束外延。近年来，薄膜技术和薄膜材料的发展迅速而引人注目。在原有的基础上，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相继出现。

■随着半导体制造工艺和光伏新技术的进步，国产薄膜沉积设备面临发展机遇。据观眼报道网数据显示，全球薄膜沉积设备市场规模将从2019年的155亿美元增长至2025年的340亿美元，2019年至2025年复合增长率近14%。根据2019年薄膜沉积设备市场规模冠眼报道网，PECVD设备市场占有率最高，占设备总量33%，溅射PVD为19%，ALD和管式CVD均为11%； SACVD是一种比较新型的设备，属于其他薄膜沉积设备类别所占份额较小。总体来看，PECVD正在成为化学气相沉积的主流技术，未来其市场份额有望进一步提升。

薄膜沉积技术是指在真空下将各种方法获得的气相原子或分子沉积在基材表面以获得离型层薄膜的技术。不仅适用于超硬、耐腐蚀、耐热、抗氧化机械薄膜的制备，还适用于磁记录、信息存储、光敏、热敏、超导等功能薄膜的制备、光电转换；此外，还可用于制备装饰涂料。近20年来，薄膜沉积技术发展迅速，现已广泛应用于机械、电子、装饰等领域。

薄膜沉积技术根据成膜机理的不同主要分为物理、化学和外延过程三大过程。 ①物理气相沉积：利用材料表面的原子在受到粒子轰击时发生热蒸发或溅射等物理过程，实现材料原子从源材料到基材材料表面的转移； ②化学气相沉积：通过混合化学气体发生化学反应，在基材表面沉积薄膜，与PVD相比，具有更好的台阶覆盖性、更低的沉积温度、更容易控制薄膜成分和厚度； ③外延工艺：按照单晶衬底的晶体方向，在晶圆等单晶衬底上生长单晶的薄膜工艺。

化学气相沉积 (CVD)

化学气相沉积（Vapor，简称CVD）是利用气态或蒸气状物质在气相或气固界面发生反应形成固体沉积物的过程。化学气相沉积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相沉积已广泛应用于提纯物质、开发新晶体以及沉积各种单晶、多晶或玻璃状无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，或者是III-V族、II-IV族、IV-VI族的二元或多元素间化合物，它们的物理功能可以通过气相传递。掺杂沉积过程受到精确控制。

化学气相沉积过程分为三个重要阶段：反应气体扩散到基材表面、反应气体在基材表面吸附、在基材表面发生化学反应形成固体沉积物、生成气相-产品离开基材表面。最常见的化学气相沉积反应有：热分解反应、化学合成反应和化学输运反应。

化学气相沉积（CVD）特点：

(1)沉积类型多种：可沉积金属膜、非金属膜，还可根据需要制备多元合金膜，以及陶瓷或化合物层；（2）CVD反应在常压或低真空下进行，镀层具有良好的衍射性能，可以在工件形状复杂或深孔、气孔的表面均匀镀覆； (3)可以获得纯度高、致密性好、残余应力小、结晶性好的薄膜涂层； (4)由于薄膜生长的温度远低于薄膜材料的熔点，从而可以获得纯度高、结晶完全的薄膜层，这对于某些半导体薄膜层是必需的； (5)通过调节沉积参数，可以有效控制涂层。层的化学成分、形貌、晶体结构和晶粒尺寸； (6)设备简单，易于操作和维护； (7)反应温度太高，一般为850-1100℃，许多基体材料无法承受。远离 CVD 的高温。使用等离子体或激光辅助技术可以降低沉积温度。

1.1 CVD设备的类型及其特点

化学气相沉积的方法很多，如常压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、超高真空化学气相沉积（LCVD）、激光诱导化学气相沉积（LCVD）、和金属有机化学气相沉积（MOCVD）。）、等离子体化学气相沉积（PECVD）等。

1、低压化学气相沉积（Low CVD、LPCVD）

低压化学气相沉积 (LPCVD) 旨在将反应器中沉积反应期间反应气体的操作压力降低至约 133 Pa 以下。

LPCVD设备特点：LPCVD的低压高热环境，增大了反应室内的气体扩散系数和平均自由程，大大提高了薄膜均匀性、电阻率均匀性以及沟槽覆盖和填充能力。另外，在低压环境下气体物质的传输速度更快。从衬底扩散出来的杂质和反应副产物可以通过边界层快速带出反应区，反应气体可以快速穿过边界层到达衬底表面进行反应。因此，有效抑制自掺杂也提高了生产效率。另外，LPCVD不需要载气，因此大大减少了颗粒污染源。广泛应用于高附加值半导体行业的薄膜沉积。

LPCVD设备研发新方向：低应力、多功能。对于许多常用的微加工材料，如氮化硅、多晶硅等，应力是不可避免的。在一些精密MEMS工艺中，需要较低的薄膜应力以确保较小的器件变形。

（1）通过独特的气路和腔体结构设计，结合相应的工艺配方，成功地将薄膜应力控制在较宽的范围内，解决了因薄膜应力的存在而引起的变形、光学和机械性能变化的问题都解决了。问题。

（2）满足客户对TEOS低压热解工艺、不同成膜速率的多晶硅工艺要求，并保证成膜均匀性和硅片翘曲度要求。

（3）多功能LPCVD设备与传统方法相比具有独特的技术，包括良好的薄膜工艺均匀性和重复性，独特的过滤系统确保腔室和设备具有良好的清洁度并易于维护，以及先进的颗粒控制技术，高精密的温场控制和良好的温度重复性、完整的工厂自动化接口、高速数据采集算法等，同时拥有丰富的行业经验和成熟的配套工艺，满足客户对高端LPCVD设备的需求。

国内主要厂家有合肥科晶、东京、北方华创等。

2、等离子体化学气相沉积（CVD、PECVD）

PECVD是一种等离子体工艺，气态前驱体在等离子体的作用下电离，形成激发态活性基团。这些活性基团通过扩散到达基底表面，然后发生化学反应，完成薄膜的生长。

PECVD设备的性能指标主要包括：生长薄膜的均匀性、密度、设备生产率。要保证生长薄膜的质量，除了保证设备的稳定性外，还必须掌握和熟练其工艺原理以及影响薄膜质量的各种因素。影响PECVD工艺质量的因素主要包括以下几个方面：（1）极板间距和反应室尺寸。点火电压：应选择间距，使点火电压尽可能低，以降低等离子体电势，减少对基板的损坏。板间距和腔压力：板间距较大时，对基板的损伤较小，但间距不宜过大，否则会加剧电场的边缘效应，影响沉积的均匀性。反应室的尺寸可以提高生产率，但也会对厚度均匀性产生影响。 (2)射频电源的工作频率。射频PECVD通常使用50kHz-13.56MHz频段的射频功率。频率高，等离子体中离子的轰击较强，沉积的薄膜较致密，但对基片的损伤也比较大。高频沉积的薄膜均匀性明显好于低频。这是因为当射频电源的频率较低时，靠近板材边缘的电场较弱，沉积速度会低于板材中心区域，而频率为高的。边缘和中心区域之间的差异将变得更小。 (3)射频功率。射频功率越大，离子的轰击能量越大，有利于提高沉积薄膜的质量。由于功率的增加会增强气体中自由基的浓度，因此沉积速率将随功率线性上升。当功率增大到一定程度时，反应气体将完全电离，自由基达到饱和，沉积速率变得稳定。 (4)气压。当等离子体形成时，气体压力太高，单元内的反应气体增加，因此速率增加。但同时，气压过高，平均自由程减小，不利于沉积薄膜对台阶的覆盖。如果气压过低，会影响薄膜的沉积机理，导致薄膜的密度下降，容易形成针状缺陷；当气压过高时，等离子体的聚合反应会显着增强，导致生长网络的规则性降低，缺陷增加。 (5)基材温度。衬底温度对薄膜质量的影响主要在于薄膜的局域态密度、电子迁移率和光学性能。衬底温度的升高有利于薄膜表面悬空键的补偿，降低薄膜的缺陷密度。基片温度对沉积速率影响不大，但对薄膜质量影响很大。温度越高，沉积的薄膜越致密，高温增强了表面反应，改善了薄膜的成分。

高产能管式PECVD市场需求强劲。晶体硅电池市场对大容量管式PECVD设备有着巨大而迫切的需求，大容量管式PECVD正在兴起。将为晶硅电池生产企业降低综合成本发挥重要作用，为晶硅太阳能电池更快发展创造更大内生动力。

高容量管式 PECVD 设备。一台设备可容纳5根工艺管。单管产能已达400片晶圆。几乎不需要增加处理时间。可适用于156-162mm硅片。单台设备产能可满足110MW以上需求。该生产线成膜均匀性好。

出售的主要厂家有（）、Lam（科林研发）、（）、北方华创、沉阳拓晶等。

3. 原子层化学气相沉积（ALCVD）

ALD是一种能够将物质以单原子薄膜的形式逐层沉积在基材表面的方法。原子层沉积与普通化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新层原子膜的化学反应与前一层原子膜直接相关。这样，每次反应中仅沉积一层原子。

原子层化学气相沉积的自限制性和互补性使得该技术能够对薄膜的成分和厚度具有出色的控制。所生产的薄膜保形性好、纯度高、均匀性好。影响成膜的因素有： (1) ALD 工艺通常有两个不同的沉积阶段：初始沉积和后续生长。薄膜的生长方式分别为岛状生长和层状生长。初始沉积阶段对薄膜形貌具有不可忽视的影响。影响。 (2)改变工艺条件的结果表明，薄膜的粗糙度受到前驱体温度、反应室真空度、衬底温度等多种因素的影响。其中，衬底温度对初始沉积时间和生长速率影响最为显着。在温度窗口内，衬底温度越低，薄膜生长越慢，初始沉积时间越长，表面粗糙度增大；随着衬底温度的升高，初始沉积过程变短，薄膜很快闭合，温度越高，生长速率越接近单层循环，表面粗糙度越小。

主要厂商有First Nano（德国韦克斯勒纳米）、（）、Tokyo（东京电子）等。

1.2 CVD设备主要应用领域

CVD设备应用范围广泛，在保护层、晶体薄膜、微电子材料层、光学材料等领域的制备中不可或缺。

物理气相沉积 (PVD)

物理气相沉积（PVD）是指利用一定的物理过程，如材料的热蒸发或粒子束轰击时材料表面原子的溅射，实现材料从源材料到薄膜的可控沉积。转移过程。

PVD 技术出现于 20 世纪 70 年代末。制备的薄膜具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性好、化学稳定性好等优点。在高速钢切削刀具领域的初步成功应用引起了世界各国制造业的高度关注。人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也对硬质合金和陶瓷刀具进行了更加深入的涂层处理。层应用研究。

物理气相沉积技术的基本原理可分为三个工艺步骤： (1)镀层材料的汽化：即使镀层材料蒸发、升华或溅射，即通过镀层材料的汽化源； (2)镀材料原子、分子或离子的迁移：气化源供给的原子、分子或离子碰撞后，发生各种反应； (3)镀层原子、分子或离子沉积在基板上。

2.1 PVD设备的类型及特点

根据沉积时物理机理的不同，物理气相沉积一般分为真空蒸发镀膜技术、真空溅射镀膜、离子镀膜和分子束外延。近年来，薄膜技术和薄膜材料的发展迅速而引人注目。在原有的基础上，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相继出现。

1、真空蒸镀、溅射镀膜

真空蒸发镀膜法（简称真空蒸发）是在真空室内的蒸发容器内加热待成膜的原料，使原子或分子汽化并从表面逸出，形成蒸气流。，入射到固体（称为基底或基底）上。一种在基材表面凝结形成固体膜的方法。

溅射镀膜是指在真空条件下用功能粒子轰击靶材表面，使靶材表面的原子获得足够的能量逸出的过程，称为溅射。将溅射靶材沉积到基材表面上的过程称为溅射镀膜。溅射镀膜中的入射离子一般是通过辉光放电获得的，范围在10^-2Pa~10Pa，因此溅射粒子飞向基片时很容易与真空室内的气体分子碰撞，造成运动方向是随机的，沉积的薄膜趋于均匀。所开发的大面积磁控溅射镀膜沉积速率高、工艺重复性好、易于实现自动化。适用于大面积建筑装饰涂料、工业材料功能性涂料，采用TGN-JR型多弧或磁控溅射在泡沫塑料、纤维织物表面镀镍Ni、银Ag。

2、离子束增强沉积技术（IBED）

离子束增强沉积技术是集离子注入和薄膜沉积于一体的新型材料表面改性技术。是指在气相沉积镀膜的同时，利用一定能量的离子束轰击、混合，从而形成单一物质或化合物膜层。除了保留离子注入的优点外，还可以在低轰击能量下连续生长任意厚度的薄膜，并可以在室温或接近室温下合成理想化学配比的化合物薄膜（包括常温下无法使用的薄膜）和压力）。获得新的膜层）。该技术具有工艺温度低（<200℃）、对所有基体结合力强、可在室温下获得高温相、亚稳相和非晶态合金、化学成分易于控制、方便控制等优点。成长过程。主要缺点是离子束是直接的，难以加工形状复杂的表面。

3、电火花沉积技术（ESD）

电火花沉积技术是在金属电极（阳极）和金属基材（阴极）之间瞬间、高频地释放电源中储存的高能电能。通过电极材料与基材之间空气电离，形成通道，使基材表面产生瞬时高温高压微区。同时，离子电极材料在微电场作用下熔化并渗透到基材基体中，形成冶金结合。 EDM沉积工艺是介于焊接和溅射或元素渗透之间的工艺。采用电火花沉积技术加工的金属沉积层具有较高的硬度和较好的耐高温、耐腐蚀、耐磨性能，且设备简单，应用广泛。沉积层与基材的结合非常牢固，一般不会脱落。处理后工件不会退火、变形。沉积层厚度易于控制，操作方法易于掌握。主要缺点是缺乏理论支持，操作尚未实现机械化、自动化。

4、电子束物理气相沉积技术（EB-PVD）

电子束物理气相沉积技术是利用高能量密度电子束直接加热蒸发材料，使蒸发材料在较低温度下沉积在基材表面。该技术具有沉积速率高（蒸发速率10kg/h~15kg/h）、涂层致密、化学成分容易精确控制、柱状晶体结构、无污染、热效率高等优点。该技术的缺点是设备昂贵，加工成本高。目前，该技术已成为各国的研究热点。

5.多层喷射沉积技术（MLSD）

与传统喷射沉积技术相比，多层喷射沉积的一个重要特点是接收系统和坩埚系统的运动可以调节，使沉积过程均匀且轨迹不重复，从而获得光滑的沉积表面。其主要特点是：沉积过程中的冷却速率比传统喷射沉积更高，冷却效果更好；可制备大尺寸工件而不影响冷却速度；工艺操作简单，易于制备，尺寸精度高，工件表面均匀光滑；液滴沉积率高；材料微观结构均匀细小，无明显界面反应，材料性能良好。

2.2 PVD设备主要应用领域

1.工模具涂层的制备

它首先用于模具和切削工具。通过沉积TiC涂层，可以有效延长模具的寿命；在高速钢刀具上沉积涂层可以提高刀具的耐磨性、抗切屑性和切削速度。同时，涂层刀具还具有高硬度和高耐化学性。具有稳定性、高韧性、低摩擦系数等特点。

2、建筑装饰材料的制备

由于物理气相沉积技术具有沉积过程操作简便、膜层成分易于控制、不受废水、废气、废渣污染等特点，目前该技术在建筑装饰中得到广泛应用。

3、特种薄膜材料的制备

雾化沉积技术可以显着扩大合金元素的固溶度，获得细小均匀的等轴晶组织，减少合金元素的宏观偏析，提高第二相的体积分数，细化第二相颗粒，从而避免了传统的In冶金过程中，由于冷却速度慢，存在化学成分宏观偏析、组织粗大等诸多缺点。可实现大尺寸、快速凝固材料的一次性成型。目前多用于颗粒增强金属基复合材料的制备，如雾化沉积法。制备MMCs技术等。此外，国内还开展了利用脉冲激光电弧沉积技术制备类金刚石碳膜方法的研究。

4. 电工和医用薄膜的制备

厚度从几十纳米到几微米的铁电薄膜具有良好的介电、电光、声光、光折变、非线性光学和压电性能，主要应用于随机存储器、电容器、红外探测器等领域主要制备方法有溅射、脉冲激光沉积等。羟基磷灰石（HA）是一种磷酸盐无机非金属材料。其化学成分和晶体结构与脊椎动物骨骼和牙齿的矿物成分非常相似，与生物组织具有良好的相容性。目前它被用于种植牙。广泛应用于人造骨等领域。羟基磷灰石薄膜也可以采用物理气相沉积技术制备。

5. 耐腐蚀涂层的制备

通过PVD技术，腐蚀介质很难穿透涂层并到达基体，有效地将腐蚀介质与基体材料隔离，达到防腐和保护基体的目的。

CVD与PVD设备对比分析

薄膜沉积设备市场空间及主要厂商

从全球范围来看，薄膜沉积设备市场稳步增长。据观眼报道网数据显示，全球薄膜沉积设备市场将从2019年的155亿美元增长至2025年的340亿美元，2019年至2025年复合增长率近14%。

不同的制造工艺需要不同的薄膜沉积设备，包括PECVD、溅射PVD、ALD、LPCVD等。根据观研报告网2019年数据，PECVD设备市场占有率最高，占设备总量的33%，溅射PVD为19%，ALD和管式CVD均为11%； SACVD是一种比较新的设备类型，属于其他薄膜沉积设备类别所占份额较小。总体来看，PECVD正在成为化学气相沉积的主流技术，未来其市场份额有望进一步提升。

风险提示

1）新的全球光伏装置容量的规模低于预期。如果将来国内外的流行状况会浮出水面，则可能会影响对新光伏装置能力的需求，这反过来会影响对薄膜沉积设备的需求；

2）新的光伏技术（例如HJT和HJT）的进步少于预期。如果新的光伏技术（例如HJT和其他光伏技术）的发展或降低成本和质量提高少于预期，它将影响市场对涂料设备的需求；

3）半导体行业资本支出下降的风险。如果半导体行业的产能投资强度降低，则可能面临市场需求下降，这将对薄膜沉积设备行业产生不利影响；

4）薄膜沉积设备的定位少于预期。当前，各种类型的薄膜沉积设备仍在研发和客户验证过程中。研发和验证中的某些不确定性存在失败。如果未来的验证结果没有预期或不适合涂料行业的开发需求，则可能会对薄膜沉积行业产生不利影响。