PECVD即等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition），是一种在半导体制造等领域广泛应用的技术：
基本原理
PECVD利用等离子体来增强化学反应，从而在衬底表面沉积薄膜。在PECVD系统中，通常将含有薄膜组成元素的气态反应物通入反应 chamber，然后通过射频（RF）、微波等手段使气体电离形成等离子体。等离子体中的高能电子与气态分子碰撞，使分子激发、离解，产生大量的活性粒子，如原子、离子、自由基等。这些活性粒子在衬底表面发生化学反应，形成固态薄膜并沉积在衬底上。
PECVD的工艺过程一般包括预处理、沉积、后处理三个主要步骤，具体如下：
预处理
• 基底清洗：使用有机溶剂（如丙酮、乙醇等）、去离子水等对基底进行超声清洗，去除表面的油污、灰尘等杂质。然后采用化学溶液（如稀盐酸、稀硫酸等）进行酸洗，去除表面的氧化层等，使基底表面达到清洁、活性的状态，为后续薄膜沉积提供良好的基础。
• 干燥处理：清洗后的基底需要进行干燥处理，通常采用氮气吹干或在烘箱中低温烘干，避免残留的水分等影响沉积效果。
• 装片入腔：将干燥后的基底小心放置在PECVD设备的反应腔室内的晶圆支架或样品台上，确保基底位置准确、稳固，然后关闭反应腔室，准备进行沉积操作。
沉积
• 气体输入：通过气体输送系统将含有薄膜组成元素的气态反应物（如硅烷、氨气等）和载气（如氩气、氮气等）按设定的流量和比例通入反应腔室。气体通过特殊设计的气体分布器（如showerhead）均匀地分布在反应腔室内，与基底表面充分接触。
• 等离子体生成：开启射频电源或微波电源，在反应腔室内施加电场，使通入的气体电离形成等离子体。等离子体中的高能电子与气体分子碰撞，使气体分子激发、离解、电离，产生大量的活性粒子，如原子、离子、自由基等。
• 化学反应与薄膜生长：活性粒子在基底表面发生化学反应，以化学键的形式吸附到基底表面，形成固态薄膜的晶核。随着反应的进行，晶核逐渐生长，通过原子、分子等的不断吸附和反应，晶核在基底表面横向和纵向生长，最终连接形成连续的薄膜。沉积速率可通过控制气体流量、射频功率、反应温度、腔室压力等工艺参数来调节。
后处理
• 退火处理：将沉积后的样品在一定温度和气氛下进行退火处理，可消除薄膜内的应力，改善薄膜的结晶性能和组织结构，提高薄膜的稳定性和性能。
• 氧化或其他处理：根据薄膜的具体应用需求，有时需要对沉积后的薄膜进行氧化、氮化等进一步处理，以调整薄膜的化学组成和性能。例如，在一些半导体器件中，需要对沉积的硅薄膜进行氧化处理，形成高质量的二氧化硅绝缘层。
• 检测与分析：使用各种检测手段，如扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、光谱仪等，对薄膜的厚度、均匀性、成分、结构等进行检测和分析，评估薄膜的质量和性能是否满足要求。主要特点
• 低温沉积：相比其他化学气相沉积技术，PECVD可以在较低的温度下进行薄膜沉积，一般在200℃-400℃左右，这有利于减少对衬底材料的热影响，避免衬底材料的性能因高温而改变，特别适用于对温度敏感的材料和器件制造。
• 良好的薄膜质量：能够沉积出均匀性好、致密性高、附着力强的薄膜，薄膜的结构和性能可以通过调整工艺参数进行精确控制，满足不同应用场景对薄膜质量的要求。
• 高沉积速率：等离子体的存在大大提高了化学反应速率，从而可以实现较高的薄膜沉积速率，能够在较短的时间内完成薄膜制备，提高生产效率。
• 可沉积多种薄膜：可以沉积如氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO₂）、非晶硅（a-Si）等多种不同类型的薄膜材料，以满足半导体器件、太阳能电池等不同领域的需求。
PECVD工艺中涉及的化学品及可能存在的危害：
硅烷（SiH₄）
• 性质与用途：无色、有刺激性气味的气体，在PECVD中用于沉积含硅薄膜，如非晶硅、氮化硅等。
• 危害：具有强还原性，遇空气易自燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，存在火灾和爆炸风险。吸入会刺激呼吸道，损伤肺和神经系统，高浓度吸入可能导致窒息。
氨气（NH₃）
• 性质与用途：无色有强烈刺激性气味的气体，在PECVD中常用于制备氮化硅等薄膜。
• 危害：易溶于水形成氨水，对眼、鼻、喉等黏膜有强烈刺激性，高浓度氨气可导致呼吸困难、肺水肿甚至死亡。在一定浓度和条件下，与空气混合能形成爆炸性混合物。
笑气（N₂O）
• 性质与用途：无色有甜味气体，在PECVD工艺中可作为氧化剂或反应气体，用于调整薄膜的化学组成和性能。
• 危害：具有麻醉作用，高浓度吸入会引起缺氧，导致头晕、恶心、呕吐等症状，长期或大量吸入可能损害神经系统，导致肢体麻木、记忆力减退等。
四氟化碳（CF₄）
• 性质与用途：无色、无味、无毒的气体，在PECVD中常用作刻蚀气体或用于调节薄膜的表面性质。
• 危害：在高温或等离子体条件下可能分解产生有毒的氟化物气体，如氟化氢（HF）等，对呼吸道和皮肤有强烈刺激性。CF₄属于温室气体，大量排放会对环境造成影响。
氢气（H₂）
• 性质与用途：无色无味的气体，在PECVD中可用于还原反应或作为载气，也有助于改善薄膜的质量和性能。
• 危害：极易燃烧，与空气混合能形成范围很宽的爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。在高浓度下可使人窒息。
此外，在PECVD工艺的清洗等环节还可能用到一些有机溶剂，如丙酮、乙醇等，它们具有一定的挥发性和易燃性，长期接触可能对神经系统、肝脏等造成损害。
应用领域
• 半导体制造：用于沉积各种绝缘层、钝化层和阻挡层等。如在集成电路制造中，PECVD氮化硅薄膜常作为栅介质层、层间绝缘层，防止杂质扩散，提高器件的稳定性和可靠性。
• 太阳能电池：在太阳能电池的制备中，PECVD起着关键作用。如在晶体硅太阳能电池表面沉积氮化硅减反射膜，可减少光的反射，提高电池对光的吸收效率，从而提升电池的光电转换效率。
• 平板显示：在液晶显示器（LCD）和有机发光二极管显示器（OLED）的制造中，PECVD用于沉积薄膜晶体管（TFT）的绝缘层和钝化层等，有助于提高显示器件的性能和稳定性。
PECVD设备主要由以下结构及其功能：
反应室
• 室体：通常由不锈钢或铝制成，能承受高真空条件，为等离子体反应和薄膜沉积提供密封空间。
• 晶圆支架（卡盘）：用于固定12寸晶圆，结合主动冷却或加热系统，确保工艺稳定性，精确控制晶圆温度，满足不同工艺需求。
等离子体生成系统
• 平行板电极：一般施加13.56MHz的射频功率，产生电场使工艺气体电离形成等离子体。
• 射频功率源：为工艺气体提供能量，激发成等离子体，驱动晶圆表面的化学反应，可精确调节功率大小，控制等离子体的能量和密度。
气体输送系统
• 气体供应单元：储存并提供含有薄膜组成元素的前体气体和载气，如硅烷、氨、氮气、氩气等。
• 质量流量控制器（MFC）：精确控制各种气体的流速，保证气体按设定比例和流量进入反应室，实现均匀的薄膜沉积。
真空系统
• 真空泵：高容量真空泵用于维持反应室内的低压条件，为等离子体生成和反应提供合适环境。
• 压力控制系统：自动控制反应室压力，确保等离子体和反应过程稳定，使工艺参数保持一致。
基板处理系统
• 自动晶圆传输装置：负责将12寸晶圆从装载位置准确传输到反应室中的卡盘上，以及完成沉积后的卸载操作，确保高效装载、定位和卸载晶圆，提高生产效率。
• 晶圆对准与定位机构：保证晶圆在传输和处理过程中的位置精度，使薄膜沉积在准确位置，确保工艺的一致性和重复性。
控制系统
• 操作界面：提供人机交互界面，操作人员可通过界面输入工艺参数、监控设备运行状态、查看报警信息等。
• 集成软件：精确控制温度、压力、气体流量、射频功率和沉积时间等工艺参数，具有数据记录和分析功能，方便工艺优化和质量控制。
• 传感器与反馈系统：实时监测反应室的温度、压力、气体流量等参数，将数据反馈给控制系统，以便进行自动调节和控制。
加热与冷却系统
• 加热装置：在工艺需要时对反应室或晶圆进行加热，使反应气体更好地发生反应，提升薄膜沉积质量和效果，如采用电阻丝加热或红外加热等方式。
• 冷却装置：在工艺完成后或过程中，对反应室、晶圆支架等进行冷却，防止设备过热，保证设备稳定运行和晶圆的后续处理。
