等离子体增强化学气相沉积原理1
等离子体增强化学气相沉积(一)2024
等离子体增强化学气相沉积（一）引言概述:等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术是一种用于制备薄膜材料的重要方法。
通过在化学气相沉积过程中引入等离子体以增强反应活性，PECVD具有优异的控制性能和广泛的应用领域。
本文将介绍PECVD的原理、工艺条件、材料特性以及其在半导体、光电子、光伏等领域的应用。
一、PECVD技术原理1.等离子体的定义和性质2.化学气相沉积与PECVD的区别3.PECVD工艺的基本原理4.PECVD反应过程中的等离子体产生机制5.PECVD原理的研究进展二、PECVD的工艺条件1.反应器设计与选择2.沉积气体选择与流量控制3.沉积压力与温度的控制4.等离子体功率与频率的控制5.衬底表面准备与预处理三、PECVD材料特性1.薄膜厚度与均匀性2.表面质量与界面特性3.薄膜成分与化学组成4.电学性能与光学性能5.薄膜的结构与晶化性能四、PECVD在半导体领域的应用1.薄膜晶体硅的制备2.硅氮化薄膜的制备与应用3.高介电常数薄膜的制备与应用4.电子学器件的制备与优化5.半导体封装材料的制备与应用五、PECVD在其他领域的应用1.光电子材料的制备与应用2.光伏电池的制备与优化3.薄膜传感器的制备与应用4.生物材料的制备与表征5.其他领域中的PECVD应用总结:等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术具有广泛的应用领域和优异的控制性能。
通过引入等离子体，PECVD可以实现高质量薄膜材料的制备与优化，并在半导体、光电子、光伏和生物材料等领域发挥重要作用。
但是，该技术仍然面临一些挑战和问题，如等离子体的稳定性、控制性和薄膜的可伸缩性等。
未来的发展中，我们需要进一步研究PECVD的机理，探索新的工艺条件和材料特性，以实现更广泛的应用和性能优化。
等离子体化学气相沉积技术
等离子体化学气相沉积技术newmaker1．技术内容及技术关键等离子体化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体（非平衡等离子体）作能量源，工件置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使工件升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在工件表面形成固态薄膜。
它包括了化学气相沉积的一般技术，又有辉光放电的强化作用。
由于粒子间的碰撞，产生剧烈的气体电离，使反应气体受到活化。
同时发生阴极溅射效应，为沉积薄膜提供了清洁的活性高的表面。
因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同。
这两方面的作用，在提高涂层结合力，降低沉积温度，加快反应速度诸方面都创造了有利条件。
等离子体化学气相沉积技术按等离子体能量源方式划分，有直流辉光放电、射频放电和微波等离子体放电等。
随着频率的增加，等离子体强化CVD过程的作用越明显，形成化合物的温度越低。
PCVD的工艺装置由沉积室、反应物输送系统、放电电源、真空系统及检测系统组成。
气源需用气体净化器除去水分和其它杂质，经调节装置得到所需要的流量，再与源物质同时被送入沉积室，在一定温度和等离子体激活等条件下，得到所需的产物，并沉积在工件或基片表面。
所以，PCVD工艺既包括等离子体物理过程，又包括等离子体化学反应过程。
PCVD工艺参数包括微观参数和宏观参数。
微观参数如电子能量、等离子体密度及分布函数、反应气体的离解度等。
宏观参数对于真空系统有，气体种类、配比、流量、压强、抽速等；对于基体来说有，沉积温度、相对位置、导电状态等；对于等离子体有，放电种类、频率、电极结构、输入功率、电流密度、离子温度等。
以上这些参数都是相互联系、相互影响的。
1.直流等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）DC-PCVD是利用高压直流负偏压（-1～-5kV），使低压反应气体发生辉光放电产生等离子体，等离子体在电场作用下轰击工件，并在工件表面沉积成膜。
直流等离子体比较简单，工件处于阴极电位，受其形状、大小的影响，使电场分布不均匀，在阴极附近压降最大，电场强度最高，正因为有这一特点，所以化学反应也集中在阴极工件表面，加强了沉积效率，避免了反应物质在器壁上的消耗。
等离子体增强化学气相沉积
等离子体增强化学气相沉积1、等离子体增强化学气相沉积的主要过程等离子体增强化学气相沉积（pecvd）技术是借助于辉光放电等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应，从而实现薄膜材料生长的一种新的制备技术。
由于pecvd技术是通过应气体放电来制备薄膜的，有效地利用了非平衡等离子体的反应特征，从根本上改变了反应体系的能量供给方式。
一般说来,采用pecvd技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；最后，到达生长表面的各种初级和次级反应产物被吸附并与表面反应，伴随着气体分子的重新释放。
具体说来，基于辉光放电方法的pecvd技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。
在辉光放电的等离子体中，电子经外电场加速后，其动能通常可达10ev 左右，甚至更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此，通过高能电子和反应气体分子的非弹性碰撞，就会使气体分子电离（离化）或者使其分解，产生中性原子和分子生成物。
正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置衬底的下电极附近也存在有一较小的离子层电场，所以衬底也受到某种程度的离子轰击。
因而分解产生的中性物依扩散到达管壁和衬底。
这些粒子和基团（这里把化学上是活性的中性原子和分子物都称之为基团）在漂移和扩散的过程中，由于平均自由程很短，所以都会发生离子-分子反应和基团-分子反应等过程。
到达衬底并被吸附的化学活性物（主要是基团）的化学性质都很活泼，由它们之间的相互反应从而形成薄膜。
2、等离子体内的化学反应由于辉光放电过程中对反应气体的激励主要是电子碰撞，因此等离子体内的基元反应多种多样的，而且等离子体与固体表面的相互作用也非常复杂，这些都给pecvd技术制膜过程的机理研究增加了难度。
等离子体增强化学气相沉积技术
等离子体增强化学气相沉积技术
等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）是一种利用等离子体反应来制备薄膜的技术。
该技术可以在低温下制备高质量的薄膜，具有广泛的应用前景。
PECVD技术的基本原理是将气体通过电场加热，使其形成等离子体，然后将等离子体沉积在基底上形成薄膜。
等离子体反应可以使气体分子发生化学反应，从而形成所需的化合物。
PECVD技术可以制备多种材料的薄膜，如氮化硅、氧化硅、碳化硅等。
PECVD技术具有许多优点。
首先，它可以在低温下制备高质量的薄膜，这对于一些温度敏感的基底非常重要。
其次，PECVD技术可以制备大面积的薄膜，这对于工业生产非常有利。
此外，PECVD技术可以制备多种材料的薄膜，这使得它在许多领域都有广泛的应用。
PECVD技术在半导体、光电子、涂层等领域都有广泛的应用。
在半导体领域，PECVD技术可以制备氮化硅、氧化硅等材料的薄膜，用于制备晶体管、电容器等器件。
在光电子领域，PECVD技术可以制备氮化硅、氧化硅等材料的薄膜，用于制备LED、太阳能电池等器件。
在涂层领域，PECVD技术可以制备碳化硅、氮化硅等材料的薄膜，用于制备防护涂层、耐磨涂层等。
等离子体增强化学气相沉积技术是一种非常重要的制备薄膜的技术。
它具有许多优点，可以制备多种材料的薄膜，应用领域广泛。
随着
科技的不断发展，PECVD技术将会在更多的领域得到应用。
等离子体增强化学气相沉积法
PECVDPECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) -- 等离子体增强化学气相沉积法PECVD：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。
为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD).实验机理：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。
优点：基本温度低；沉积速率快；成膜质量好，针孔较少，不易龟裂。
缺点如下：1.设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；2.涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；3.对小孔孔径内表面难以涂层等。
例子：在PECVD工艺中由于等离子体中高速运动的电子撞击到中性的反应气体分子，就会使中性反应气体分子变成碎片或处于激活的状态容易发生反应。
衬底温度通常保持在350℃左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作为集成电路最后的钝化保护层，提高集成电路的可靠性。
几种PECVD装置图（a）是一种最简单的电感耦合产生等离子体的PECVD装置，可以在实验室中使用。
图（b）它是一种平行板结构装置。
衬底放在具有温控装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。
图（c）是一种扩散炉内放置若干平行板、由电容式放电产生等离子体的PECVD装置。
它的设计主要为了配合工厂生产的需要，增加炉产量。
等离子体增强化学气相沉积原理1
CVD镀膜机自动化控制
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CVD镀膜机自动化控制
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质 量 流 量 控 制 器
质 量 流 量 控 制 器
质 量 流 量 控 制 器
传感执行机构
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分布式DCS控制系统示意图
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1
CVD镀膜机自动化控制
SB9
真空计
原系统电气原理图
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问题
RF-500型CVD镀膜机原电气控制系统的开关量 控制是以继电器、交流接触器等电气元件为核心, 采用传统的控制方法,控制逻辑用硬件实现，结构 简单。 原系统的缺点是: 控制逻辑不能改变,不便于升级和优化,并且器 件长期工作后容易失效。 中间数据无法管理和存储
CVD镀膜机自动化控制
主回路-机械泵、主电源系统 主电源控制 加热控制 机械真空泵控制 进气阀、放气阀和真空计控制
三相四线 C B A QF G
KM1 FU SB2 SB1 KM1
KM2 KM1 SB4 SB3 KM2
pecvd镀膜工作原理
pecvd镀膜工作原理PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子增强化学气相沉积）是一种常用的薄膜沉积技术，可以用于在各种不同的材料表面上制备薄膜。
PECVD技术的工作原理涉及等离子体激发、表面反应、扩散和成核等过程。
PECVD镀膜系统通常由一个真空室、一个高频电源、一个沉积室和一个排气系统组成。
在工作过程中，首先将沉积室抽成真空，然后通过加入适当的气体（例如硅源气体、硅氢源气体和氩气）使系统恢复到适当的工作压力。
接下来，高频电源产生一个电场，加在沉积室的电极上。
这个电场产生一个气体放电等离子体，在这个等离子体中发生的化学反应用于沉积所需的薄膜材料。
PECVD的工作原理可以通过以下几个步骤来详细解释：1.气体激发：高频电源产生的电场作用下，沉积室中的气体会被激发形成等离子体。
这个等离子体通常是通过两个电极之间的辉光放电来产生的。
例如，在硅基薄膜沉积中，硅源气体（如二甲基硅烷）在高频电场的激发下分解成活性离子和自由基。
2.表面反应：激发后的气体会与表面反应，沉积在基片表面形成薄膜。
在PECVD过程中，气体中的活性离子和自由基与基片表面上的化学官能团相互作用发生反应。
例如，硅源气体中的活性离子会与基片表面的氢原子反应，生成Si-H键并固定在基片上，形成硅氢化薄膜。
3.扩散：沉积在基片上的原子会通过扩散进一步形成均匀的薄膜。
当活性离子和自由基与基片表面反应后，它们会扩散进入基片内部，填充空隙并增加薄膜的厚度。
扩散是一个渐进的过程，可以通过控制PECVD过程中的参数（如气体流量、沉积时间和温度等）来调节薄膜的厚度。
4.成核：在薄膜表面上会发生一些化学反应，导致新的原子或分子的沉积，从而形成成核点。
这些成核点可以继续吸附更多的原子和分子，并生长成为薄膜。
成核主要发生在各种表面能较高的基片上，例如有机聚合物表面。
在PECVD过程中，还需要根据不同材料和特定应用的要求，调节工作压力、温度、基片的位置和角度以及气体流量等参数，以确保薄膜的质量和性能。
PECVD工作工艺原理
PECVD工作工艺原理PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)，即等离子体增强化学气相沉积，是一种用于薄膜制备的工艺技术。
它通过产生等离子体和化学反应，将气体中的原子或分子沉积在基底表面上，形成具有所需性质的薄膜。
PECVD工艺在微电子、光电子、光伏等领域有广泛的应用。
一、工艺设备：PECVD工艺需要一个具有产生等离子体能力的等离子体反应腔体。
一般采用的反应腔体有平板状腔体、圆柱腔体和圆筒形腔体等。
其中，平板状腔体是最常见的设计，由两块平行的金属电极和绝缘材料构成。
电极上加上高频电压，产生等离子体区域，通过给气体供给能量，使其发生等离子体化，然后进一步与基底反应，形成薄膜。
二、材料选择：PECVD工艺所用的气体材料可以根据所需的薄膜类型和特性进行选择。
一般使用的气体有硅烷类气体、碳氢类气体、氧化物类气体等。
硅烷类气体如SiH4可以用于氢化非晶硅（a-Si:H）、多晶硅（μc-Si）、氮化硅（SiNx）等薄膜制备。
碳氢类气体如CH4用于制备含碳材料如石墨烯、钻石薄膜等。
氧化物类气体如N2O、O2用于制备氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）等薄膜。
1.等离子体产生：先在等离子体反应腔体内引入气体，然后加上高频电压，产生电磁场，激发电子，使其中的气体分子电离为正、负离子和自由电子。
这些离子和自由电子共同形成等离子体。
2.等离子体活化：等离子体中的电子具有高能量，可以激发气体分子内部的化学反应。
通过调节等离子体的参数，如功率、气压和流量等，可以控制等离子体激发和反应的效果。
3.气体沉积：等离子体中的活性物种在反应腔体的基底表面发生化学反应，产生薄膜物质。
这些活性物种可以是离子（正、负离子）、自由基或激发态分子。
薄膜的成分和性质可以通过改变气体的组成和工艺参数来控制。
4.薄膜沉积速率和性质调控：在PECVD过程中，可以通过调整工艺参数，如功率、气体流量、压力和基底温度等，来控制薄膜的沉积速率和性质。
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主回路-机械泵、主电源系统 主电源控制 加热控制 机械真空泵控制 进气阀、放气阀和真空计控制
三相四线 C B A QF G
KM1 FU SB2 SB1 KM1
KM2 KM1 SB4 SB3 KM2
KM3 KM2 SB6 SB5 KM3
SB7
进气阀
M 3~
机械真空泵
SB8
放气阀
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G C B A QF
PLC电气系统原理图
FU
KM1
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加 热 电 源
放 气 阀
进 气 阀
M 3~
机械真空泵
KA2 KA3 KA4 KA5
机 械 真 空 泵
主 电 源
PLC 电 源
AC-DC +24V
AC-DC ±15V
真 空 计
KA1
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PLC内开关量地址的分配
输入量 总电源开启软线圈 地址 R0 输出量 总电源控制输出 地址 Y20
机械泵启动软线圈 进气阀打开软线圈
放气阀打开软线圈
R1 R2
R3
机械泵控制输出 进气阀控制输出
放气阀控制输出
Y21 Y22
Y23
温控电源开启软线圈 氩气清洗软线圈
氢气清洗软线圈
R4 R50
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ADAM-4520隔离转换器能够将RS-232信号透明转换为RS-485信号
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ADAM 4017+为研华科技公司的新型八通道模拟输入模块
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质量流量控制器原理图
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接ADAM4017+ 接ADAM4024
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-15V
流量检测0-+5V
地（GND）
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具体工作
实现CVD镀膜机分布式控制 硬件部分 软件部分
硬件部分
采用基本的两级控制结构，包括上位监控级和下位 控制级，主要由工业计算机、可编程控制器、智能仪表 及传感器、执行机构组成 属于分布式控制
CVD镀膜机自动化控制 开关量控制用PLC
可编程序控制器选择松下FP2型，采用模块化设计，CPU模块为 FP2-C1，具备RS232通讯端口，直接与工控机连接，其电源模块 为PSA1，I/O模块为FP2-XY64D2T。改造后的PLC电气系统原理图 见图3.3，主回路仍由主电源和机械泵电机构成，控制回路以PLC 为主，开关电源为PLC和智能转换模块供电。
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1离子体增强化学气相沉积原理 2等离子体增强化学气相沉积设备 3等离子体增强化学气相沉积过程的气体控制 4等离子体增强化学气相沉积过程控制实例
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离子体增强化学气相沉积原理
被控对象
2 1
MFC MFCMFC MFC
RF 电源 匹配网络
真空计
5 3
朗缪尔探针 电源 6
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工控机 COM2 COM1
PLC 开关量输入/输 出模块 模拟量输入/输出模块 温度控制器
设备启停
电 阻 真 空 计
质 量 流 量 控 制 器
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原系统电气原理图
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问题
RF-500型CVD镀膜机原电气控制系统的开关量 控制是以继电器、交流接触器等电气元件为核心, 采用传统的控制方法,控制逻辑用硬件实现，结构 简单。 原系统的缺点是: 控制逻辑不能改变,不便于升级和优化,并且器 件长期工作后容易失效。 中间数据无法管理和存储
R51
温控电源控制输出 氩气清洗控制输出
氢气清洗控制输出
Y24 Y30
Y31
氮气清洗软线圈 甲烷清洗软线圈
氩气阀软线圈
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氮气清洗控制输出 甲烷清洗控制输出
氩气阀控制输出
Y32 Y33
Y34
氢气阀软线圈 氮气阀软线圈
甲烷阀软线圈
R55 R56
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氢气阀控制输出 氮气阀控制输出
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气体流量的控制用质量流量控制器+计算机
RS232 工控机 ADAM4520 协议转换模块
RS485 ADAM4024 数模转换模块 质量流量控制器 阀门 ADAM4017+ 数模转换模块 气体入口
气体质量流量控制方案
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9
8 可控硅 7
4
温度控制器 接真空泵 10
反应室 CCP电容耦合 抽真空装置 四川国投南光生产的2X-8A型旋片式真空泵 真空测量计 ZDZ-2K型低真空计 质量流量控制器 七星华创的D07-7B/ZM质量流量控制器和汇博 隆的S49-33M/MT质量流量控制器，对四路气体的流量进行精密测 量和控制． 温度控制器 日本导电的SR93PID调解器 电源 采用RF-500型射频电源与RF-500型射频电源匹配器。
Y35 Y36
Y37
总电源保护 机械泵保护
X00 X01
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开关量输出 工控机 RS232 ~220V Power CPU XY64D2T PAS1 FP2-C1
开关量输入
基于可编程控制器的开关量控制系统方案
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真 空 室
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温度控制的连线图
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Y20 总电源 加热 放气 KA1 KA2 KA3 KA4 KA5 KA6 KA7 KA8
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甲烷清洗 Y33 氩气阀 Y34 数 字 Y35 输 Y36 出 模 Y37 块
-
KA9 KA10
PLC接口电路
Y21 Y22
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