正規化學汽相沉積的溫度場域設計規範

前言：

　　大體而言，舉凡積累一定經驗與知識程度的工業，都會有一套成文或極少數不成文的設計、製造，乃至管理規範，以減少走冤枉路的成本與風險，也降低新入行者的進入門檻。

　　半導體設備業是個極度具有安全風險，又是高度技術密集的高科技產業，眾多前輩們也篳路藍縷迄今數十個年頭，自然也不例外。筆者因入行多年，幸運地擠身其中，也參與過幾個化學汽相沉積(chemical vapor deposition, CVD)反應腔(reactor)的研發改進工作。茲此分享個人受益於半導體設備業大老們數十年前的教誨，但盼對於後續有志於半導體化學汽相沉積反應腔開發設計的有志之士，多少提供一些正確的入門知識，如果不巧對您恰巧是班門弄斧，敬請海涵，也至盼多多指教！謝謝您！

　　半導體製程，被歸類為表面科學的一種，顧名思義，其化學或物理反應，一般來說，幾乎只在其表面數個，乃至有限個原子層厚度範圍的自然反應。

　　限於本人的經驗與學識，本文單就化學反應中的表面可學進行探討，而且只聚焦於化學汽相沉積這一個領域，敬請理解。謝謝！

何謂化學汽相沉積？

　　化學汽相沉積 (CVD) 是一種真空沉積方法，用於生產高品質、高性能的固體材料。此製程常用於半導體工業生產薄膜之用。

　　在典型的 CVD 中，晶圓(基材)暴露於一種或多種揮發性前驅物(precursor)，也就是習稱之反應氣體。這些前驅物在基材表面上發生反應和/或分解，產生所需的沉積物。通常，也會產生揮發性的副產物(byproduct)，這些副產物會被流過反應腔的氣流所帶出。

　　下圖是附帶設計規範說明的化學汽相沉積反應腔之溫度分佈示意圖：

正規的化學汽相沉積之溫度場域設計規範

　　就汽相化學反應三要素：壓力、反應物之質流，以及溫度來說，理論上來看，在密閉反應腔內，其各處的氣壓應為幾乎均勻分佈；在低壓的反應腔內，由於氣體擴散自由路徑特別長，如果想要精準控制物質流動的均勻性與限制性，將會特別困難；三者相權，唯有溫度分佈的控制，較為容易從工程學的方法，加以有效地嚴格規範因此，正規的化學汽相沉積反應腔的設計規範，特別專注於溫度分佈的規範。

　　若從前述化學汽相沉積的定義思考溫度分佈的最理想狀況，那麼，晶圓上表面溫度最高且到達汽相化學反應溫度，其餘的反應腔內零組件之溫度，則在合理範圍內越低越不容易產生化學沉積反應，亦即越不容易產生反應腔體內零組件的汙染，當然越好。

　　因此，才會有上圖下方淺顯易懂的溫度分佈規範：晶圓溫度(達反應溫度)大於晶圓周邊溫度(裂解溫度)，且晶圓周邊溫度(裂解溫度)大於邊界溫度(反應腔體溫度)，這樣的設計規範。


以此規範驗證全球碳化矽磊晶產業現況

　　從回顧現今主流碳化矽磊晶設備特點一文可以得知，當今所有主流磊晶設備竟無任何設計基於本文淺顯易懂之正規的化學汽相沉積之溫度場域設計規範無怪乎全球面臨著如此繁多的共同技術痛點，諸如產出速度極低，成本特別高，良率特別低，良率的前幾大因素幾乎全與微粒子汙染，副產物嚴重沾污反應腔內部環境攸關。

　　本文指明：『若從前述化學汽相沉積的定義思考溫度分佈的最理想狀況，那麼，晶圓上表面溫度最高且到達汽相化學反應溫度，其餘的反應腔內零組件之溫度，則在合理範圍內越低越不容易產生化學沉積反應，亦即越不容易產生反應腔體內零組件的汙染，當然越好。』實不相瞞，早已點出走出產業困局的一盞明燈，願有志之士協力一同，一起為全人類的科技進步，尤其在節能省碳方面戮力以赴，必能為此困界開創光明新局！

結論：

　　誠如牛頓與愛因斯坦等科技巨擘所言，他們之所以偉大，其實是因為站在前輩中巨人的肩膀上之緣故，此固為謙稱之詞，然也是立基於事實的老實話。

　　吾等科技後生晚輩，於創新之路固然需跳脫框架思考，然也不能太過跳脫而脫離自然科學的本質，沒事淨拿著石頭砸爛自己的腳，然後妄想練就宇宙無敵飛毛腿，是吧？

　　因此，但凡設計之始，乃至任何時候，都必須念茲在茲謹記在心，從科學原理的最基本特性檢視起，是否自己在任何一個步驟，無論是基本假設架構，乃至任何設計製造的細部環節，是否偏離了科學本質的極致追求？是否徒然枉費時間資源在與自己的最基本疏漏對抗？那麼，許多的技術問題自然迎刃而解，研究科學，解決技術難題，自然不再是燒腦的苦差事，反而是極具吸引力的腦力遊戲。