PECVD 和等离子体简介
PECVD 中等离子体的定义和功能
等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 利用等离子体的力量显著增强沉积过程。等离子体是一种高度电离的气体，通常使用射频 (RF) 电流或通过两个平行电极之间的高能电子激活交流 (AC) 或直流 (DC) 放电产生。气体的这种电离状态至关重要，因为它为加强材料分子的热运动提供了必要的能量，从而导致其电离并形成由正离子、电子和中性粒子组成的复杂混合物。
在 PECVD 设置中，等离子体不仅仅是副产品，而是沉积过程的积极参与者。PECVD 在真空条件下工作，压力通常低于 0.1 托，因此可以在相对较低的基底温度（从室温到 350°C）下沉积薄膜。与传统的化学气相沉积 (CVD) 方法相比，这是一个显著的优势，后者通常需要较高的温度来驱动必要的化学反应。利用等离子体，PECVD 可以在较低的温度下实现这些反应，从而减少基底上的热应力，提高沉积薄膜的结合强度。
等离子体在 PECVD 中的主要作用是促进和维持化学反应。等离子体中的电子能量在 1 到 20 eV 之间，可创造一个高活性环境。这些高能电子能够电离和解离大多数气体分子，形成可与基底表面相互作用的自由基等活性物质。这种相互作用会导致基底表面的改性和涂层，从而提高整体沉积效率。此外，等离子体中产生的高能紫外线 (UV) 光子可进一步激活基底，产生更多的反应位点，促进沉积过程。
PECVD 结合了低温操作、高效反应促进和更高沉积速率等特点，是一种用途广泛、功能强大的薄膜沉积技术，适用于各种应用领域。
PECVD 系统组件
PECVD 系统是一种精密设备，旨在通过一系列复杂的过程促进薄膜在基底上的沉积。该系统的核心包括发生器 采用石墨舟 和高频等离子体激励器 为化学反应创造必要条件。等离子体发生器等离子发生器 等离子体发生器战略性地安装在涂层板的中间，在低压条件下工作。低压 和高温 以启动和维持反应。
在典型的半导体应用中，基板被放置在一个沉积室 内有两个平行电极：一个接地电极 和射频激励电极.这种设置可以精确控制点燃等离子体的放电。前驱气体，如硅烷（SiH4） 和氨气 (NH3)等惰性气体混合。氩气 (Ar) 或氮气 (N2) 等惰性气体，以便对过程进行微调。这些气体通过一个喷淋装置 确保均匀分布，从而提高沉积薄膜的均匀性。
等离子体由放电 电极之间的放电点燃等离子体。100 至 300 eV。.这种放电产生驱动化学反应所需的热能，从而导致薄膜的生长。前驱气体分子在与高能电子碰撞后获得能量，通过气流传播到基底。到达基底后，它们发生反应并被吸收到基底表面，形成所需的薄膜。然后，这些反应的化学副产物被有效地排出腔室，完成沉积过程。
PECVD 设备与以下设备有相似之处物理气相沉积系统（PVD）包括一个室,真空泵和气体分配系统.然而，配置上的差异主要在于动力源,气体类型和流量,压力传感器以及零件架的整体设计。混合系统能同时进行 PVD 和 PECVD，可灵活利用两种工艺的优势。PVD 通常是一种视线工艺，而 PECVD 生产的涂层往往会覆盖腔室内的所有表面，因此需要根据特定的工艺要求采取不同的维护和使用策略。
石墨舟在 PECVD 中的作用
石墨的导电性和导热性
石墨舟在等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺中起着举足轻重的作用，这主要是因为石墨舟具有优异的导电性和导热性。这些特性使石墨舟能够有效管理 PECVD 系统内复杂的相互作用，确保涂层的精确沉积。
施加交流电压时，石墨舟会产生明显的正负极。这种极性差异至关重要，因为它会引发一种称为辉光放电的现象。在辉光放电过程中，电能转化为动能，从而加速了气体分子的运动。动能的增加导致硅烷（SiH4）和氨气（NH3）电离，将其分解为组成元素--硅（Si）和氮（N）离子。
石墨舟的导热性能同样重要。在 PECVD 工艺的高温条件下，石墨舟可有效散热，维持气体均匀分解所必需的稳定温度环境。这种热管理可确保硅离子和氮离子准确结合，形成氮化硅（SiNx）分子，然后均匀地沉积在晶片表面。
总之，石墨舟优异的导电性和导热性是 PECVD 工艺成功的基础。这些特性不仅有助于形成辉光放电，还能确保氮化硅涂层的精确和均匀沉积，因此石墨舟在 PECVD 系统中不可或缺。
氮化硅涂层的形成
在晶片表面形成氮化硅 (SiNx) 涂层的过程包括通过辉光放电分解硅烷 (SiH4) 和氨气 (NH3) 气体。这种放电使气体电离，产生硅 (Si) 和氮 (N) 离子。这些离子结合后形成 SiNx 分子，随后沉积到晶片上。
从历史上看，氮化硅最初是通过元素硅（Si）与氮（N2）或氨（NH3）直接反应生成的。这种方法被称为直接氮化法，包括高纯度硅粉与氮气或氨气在高温下（通常在 1200-1400°C 左右）发生反应。这些反应的化学方程式为
- 3Si + 2N2 → Si3N4
- 3Si + 4NH3 → Si3N4 + 6H2
通过这些反应形成的氮化硅是一种具有高强度、低密度和优异耐高温性能的陶瓷材料。Si3N4 的结构单元是 [SiN4]4- 四面体，硅原子位于四面体的中心，氮原子占据顶点位置，形成三维网络结构。
除了直接氮化法，生产氮化硅的其他技术还包括碳热还原二氧化硅法以及各种气相和液相反应法。例如，碳热还原二氧化硅法涉及二氧化硅（SiO2）与碳和氮反应生成 Si3N4：
- 3SiO2 + 6C + 2N2 → Si3N4 + 6CO
这些不同的方法凸显了氮化硅在各种工业应用中的多功能性和重要性，从耐火材料到用于机械加工、航空航天和电子电路的先进陶瓷，不一而足。
化学稳定性和耐久性
石墨舟以其优异的化学稳定性而闻名，因此非常适合 PECVD 工艺中遇到的恶劣环境。这些石墨舟可抵御 PECVD 系统固有的反应气体和等离子体的腐蚀作用。抗化学降解能力至关重要，因为材料完整性的任何损害都可能导致污染或沉积过程失败。
此外，石墨舟在高温条件下也表现出卓越的稳定性，这也是 PECVD 工艺的一大特点。工作温度通常超过 400°C，而石墨的热稳定性可确保石墨舟在长时间暴露期间保持结构和化学完整性。这种耐久性不仅对 PECVD 系统的稳定性能至关重要，而且对晶片表面形成的氮化硅涂层的质量和均匀性也至关重要。
为了进一步说明化学稳定性和耐久性在 PECVD 过程中的重要性，请看下表：
| 特性 | 石墨舟 | 替代材料 |
|---|---|---|
| 耐化学性 | 高 | 可变 |
| 热稳定性 | 高 | 低至中等 |
| 结构完整性 | 高 | 可变 |
| 涂层质量 | 高 | 不一致 |
以上对比说明了为什么石墨舟是 PECVD 应用的首选，它不仅能确保设备的使用寿命，还能确保涂层工艺的可靠性。
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