想像你在廚房為 AI 晶片大餐抹上奈米奶油，層層堆疊運算結構。這是《邊喝邊想》半導體系列的第六篇，上篇談摻雜如何調味，這篇聚焦沉積與磊晶如何打造晶片薄膜。本系列共八篇，涵蓋晶圓、氧化、晶體管、摻雜、沉積、光刻、蝕刻/CMP。核心問題：如何精準堆疊奈米薄膜，支撐 AI 運算？
薄膜的關鍵角色
晶片的每一層薄膜都影響其運算效率與可靠性。一顆先進晶片包含數百層材料，每層僅幾奈米厚：導電的銅（Cu）驅動電子流動，絕緣的二氧化矽（SiO₂）防止短路，氮化鎵（GaN）支撐高頻元件。沉積生成多晶、非晶或單晶薄膜，廣泛用於晶片的各層結構；磊晶專注單晶薄膜，確保晶格與基底對齊，適合高性能元件。
多晶材料由多個微小晶粒組成，晶粒內有規則晶格，但晶粒間的邊界（晶界）方向不一致，電性與機械性質不如單晶均勻，卻因成本低而適用於金屬層與介電層。沉積技術如 CVD 使用化學反應生成薄膜，PVD 則透過物理方式將材料噴塗到晶圓上，而磊晶如 MBE 與 MOCVD 則在設備中精準控制分子束或氣體反應，生成高度有序的單晶結構。
CVD 與 PVD 的奈米級烘焙
CVD：化學反應的奶油生長
CVD 像讓奶油在蛋糕上長出來，氣態分子在晶圓表面反應，生成單晶或高品質多晶薄膜，適合複雜 3D 結構。CVD 反應分為質量傳輸（分子擴散至表面）與表面反應（分解或鍵結），反應速度慢為反應控制，氣體供應不足則為擴散控制。CVD 厚度可精控至 1 奈米以下。技術包括
- 熱 CVD：高溫（600–900°C）生成高密度薄膜，如多晶矽（Poly-Si）電極，像是烤出堅實的蛋糕底層，但高溫對熱敏感步驟不利。
- 電漿增強 CVD（PECVD）：利用電漿降低溫度（<450°C），適用於金屬沉積後的絕緣層，像是抹上低溫奶油，避免內層融化。
- 低壓 CVD（LPCVD）：低壓環境提升均勻性，用於氮化矽（Si₃N₄）封裝層，像是裹上保護膜。
- 金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）：使用金屬有機前驅物（如三甲基鎵 TMGa）與氣體（如砷化氫 AsH₃）反應，生成單晶 GaAs 或 GaN 薄膜，適合 LED 與雷射二極體，像是抹上高精密的單晶奶油層。
- 微波電漿 CVD（MPCVD）：利用微波電漿生成高品質單晶薄膜，如鑽石或 GaN，用於高功率電子與光學元件，像是抹上無瑕的晶體奶油。
PVD：用噴槍抹上多晶奶油
PVD 像用噴槍抹上金屬奶油，主要生成多晶材料，成本低但電性略遜單晶。PVD 速率可達數十奈米/分鐘但 PVD 覆蓋率不足，難以均勻填充深溝槽，像是蛋糕立體裝飾留空隙。技術包括
- 熱蒸鍍（Thermal Evaporation）：加熱材料（如鋁）至蒸發，原子飛到晶圓凝結，適合平坦表面，但覆蓋力弱。
- 濺鍍（Sputtering）：氬離子轟擊靶材（如鈦），原子噴到晶圓。磁控濺鍍利用磁場提升效率。
- 電子束蒸鍍（E-Beam Evaporation）：高能電子束加熱靶材（如金或鎢），生成多晶或非晶薄膜，適用高熔點材料，像是抹上高質感金箔，常用於光學塗層或電極。
如何為晶片挑選奶油？
不同材料在晶片中扮演不同角色，選擇沉積方式需平衡成本、可靠性和電性表現。以下是常見材料與其沉積方法的對照
例如，鋁合金成本低但反射率高，需搭配 TiN 抗反光層；鎢（W）則因過填後拋光的策略，無需高均勻性，適合 CVD 沉積。這些選擇就像為蛋糕挑選奶油：有的要輕盈，有的要堅實，每層都得恰到好處。
薄膜如何影響你的科技？
2024 年沉積與磊晶設備市場佔半導體製造成本的 20%，應用材料 Applied Materials、科林研發 Lam Research、東京威力 Tokyo Electron 與 愛思強 Aixtron 主導供應鏈，設備收入佔比超 40%，反映新興科技的強勁需求。薄膜如何提升你的 5G 或螢幕體驗？訂閱《邊喝邊想》，探索下篇光刻如何精雕電路！
