等離子增強化學氣相沉積 (PECVD) 是一種低溫真空薄膜沉積工藝，由于它能夠在無法承受更傳統 CVD 工藝溫度的表面上施加涂層，因此在半導體行業具有非常重要的地位。

傳統的 CVD 向要涂覆的基材或基材周圍的區域加熱以驅動化學反應。前體反應氣體被引入沉積室，它們要么立即與待涂覆的表面反應，要么在沉積室中結合形成新的化合物，從而在基板表面上生長薄膜。

正是這種前驅氣體驅動的化學反應定義了 CVD 工藝，該化學反應是從氣體沉積到固態作為襯底表面上的薄膜。將此與物理氣相沉積 (PVD) 工藝進行比較，后者由物理顆粒的濺射或蒸發驅動。

等離子體是一種氣體，其中大部分原子或分子被電離，通常使用射頻 (RF) 電流產生，但也可以通過高能電子激活的交流 (AC) 或直流 (DC) 放電來執行兩個平行電極之間。

基于真空的工藝，PECVD 通常在 <0.1 Torr 的壓力下進行，允許相對較低的基板溫度，從室溫到 350°C。通過利用等離子體為這些沉積反應的發生提供一些能量，而不是必須將基板加熱到如此高的程度來驅動這些反應，PECVD 使基板能夠在較低的溫度下進行涂層，對薄膜界面的應力較小，這允許更強的粘合。

PECVD 也稱為等離子輔助化學氣相沉積 (PACVD)。

PECVD的優點是什么？

與傳統 CVD 相比，PECVD 的主要優勢在于較低的沉積溫度、良好的一致性和在不平坦表面上的階梯覆蓋、對薄膜工藝的更嚴格控制和高沉積速率。

雖然標準 CVD 溫度通常在 600°C 至 800°C 范圍內進行，但 PECVD 溫度范圍為室溫至 350°C，這使得在較高的 CVD 溫度可能會損壞正在涂覆的器件或基板的情況下成功應用。通過在較低溫度下運行，它在具有不同熱膨脹/收縮系數的薄膜層之間產生的應力較小。這可以實現高效的電氣性能并達到非常高的標準。

由于 CVD 是一種擴散氣體驅動工藝，因此它可以更好地覆蓋不平整的表面，例如具有較高一致性的溝槽或墻壁。或者，PVD 涂層是視線沉積，因此如果不規則性遮擋涂層區域，則可能導致薄膜深度的更多變化。在很大程度上，PECVD 減少了薄膜的高一致性問題，因為等離子流可以圍繞基板。

通過改變等離子體的參數，可以實現對材料特性的出色控制，包括光學薄膜的密度和硬度、純度、粗糙度或折射率。PECVD 產生一些最快的沉積速率，同時仍保持高薄膜質量。

PECVD 可以生產出僅靠普通 CVD 技術無法產生的獨特化合物和薄膜，并生產出具有極高耐溶劑性和耐腐蝕性以及化學和熱穩定性的薄膜。

什么是常見的 PECVD 應用？

PECVD廣泛用于半導體工業制造集成電路，在光伏、摩擦學、光學和生物醫學領域有許多應用。

二氧化硅和氮化硅是電介質，這意味著它們對微電子工業中常用的化合物進行絕緣，以隔離多個導電層和電容器。它們還通常用于封裝設備以保護它們免受外部污染物和濕氣的影響。

PECVD是用于制造太陽能電池和光伏的關鍵沉積技術。它的多功能性使其能夠均勻地應用于相對較寬的表面區域，如太陽能電池板或光學玻璃，通過改變等離子體可以非常精細地調整光學涂層的折射質量，從而實現極高程度的工藝控制。

其他常見的光學應用包括太陽鏡、有色光學設備和光度計。

在大表面上生產均質有機和無機聚合物的能力使其廣泛用于食品包裝行業，用于薯片袋等用途。通過生產純度極高的致密惰性涂層，PECVD 在醫療植入物方面具有許多生物醫學應用。

類金剛石碳 (DLC) 也通過 PECVD 沉積用于許多摩擦學應用，其中耐磨性和低摩擦的潤滑性是重要的考慮因素。

等離子體增強化學氣相沉積是如何工作的？

對于典型的半導體應用，基板放置在兩個平行電極之間的沉積室中——一個接地電極，通常是一個射頻激勵電極。基板在 250°- 350°C 的范圍內被加熱。

硅烷 (SiH 4 ) 和氨氣 (NH 3 ) 等前體氣體通常與氬氣 (Ar) 或氮氣 (N 2 ) 等惰性氣體混合以控制工藝。這些氣體通過基板上方的噴頭固定裝置引入腔室，有助于將氣體更均勻地分布到基板上。

等離子體通過電極之間的放電 (100 – 300 eV) 被點燃，在基板周圍形成一個發光的鞘層，有助于產生驅動化學反應的熱能。

這些反應首先發生在等離子體中，因為前體氣體分子與高能電子碰撞，然后通過氣流到達基板，在那里它們發生反應并被吸收在基板表面上以生長薄膜。然后將化學副產品解吸并抽走，完成沉積過程。

更高的氣體流速可以產生更高的沉積速率，這與操作溫度一起控制厚度、硬度或折射率等特性。

什么是電容耦合和電感耦合等離子體？

PECVD 反應器被配置為電容耦合等離子體和電感耦合等離子體。

電容耦合等離子體是最簡單和最常用的方法，它本質上是將兩個平行的金屬電極分開一小段距離。一個電極連接到射頻電源，另一個接地。然后襯底產生偏置電位。這種結構的作用原理上類似于電路中的電容器，通過這種方法形成的等離子體稱為電容耦合等離子體。

電感耦合等離子體 (ICP) 是一種等離子體源，其中能量由電磁感應產生的電流提供。這些時變磁場產生由變壓器或線圈產生的電流。

什么是其他類型的 PECVD 等離子源？

對于大面積工業 PECVD 涂層系統，中頻交流和脈沖直流用于在兩個平行電極上或直接在基板本身上驅動等離子體。一個典型的應用是將 SiOx 沉積到用于腐蝕和疏水涂層的部件上，使用兩個電極和高壓中頻交流放電來驅動 PECVD 工藝。對于 DLC 涂層，脈沖直流偏壓通常應用于零件本身。這會在零件周圍產生等離子體，導致 DLC 從乙炔或其他碳氫化合物氣體中沉積。

PECVD設備有哪些類型？

使用電容耦合等離子體方法的反應器被稱為直接 PECVD 反應器，因為等離子體是與附著在沉積室中的一個電極上的基板直接接觸而產生的。這種方法的主要缺點是，當電極腐蝕時，來自電極的離子和污染物的直接轟擊可能會損壞基板。

使用電感耦合等離子體源，在沉積室一側產生等離子體被稱為遠程 PECVD 反應器。

電感耦合等離子體的主要優點是，由于電極位于反應室外部，等離子體放電相對沒有污染物。這與電容耦合等離子體相比，其中電極位于沉積室內，因此暴露于等離子體和反應氣體，這可能導致來自電極的污染物沉積在薄膜中。

高密度等離子增強化學氣相沉積 (HDPECVD)發生在使用兩個電源的沉積設備中。一種是電容耦合等離子體，用于與基板直接接觸的偏置電源，而另一種是電感耦合等離子體，作為外部發生器的源電源。源功率驅動更有效的前體分解，從而允許更高的等離子體密度和反應速率。

PECVD涂層系統提供的沉積技術包括：

• 等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)

• 電感耦合等離子源 (ICP)

• 高功率脈沖磁控濺射 (HIPIMS)

• 反應磁控濺射

等離子源多年來一直用于蝕刻、離子輔助沉積和 PECVD。但是，大多數來源適用于一兩個但不是所有上述過程。此外，傳統資源的可擴展性由于其操作和物理構造的物理特性而受到限制。