Pecvd工艺中常用的气体有哪些？掌握前驱体、载气和清洗气

在等离子体增强化学气相沉积（PECVD）中，最常见的气体是前驱体，如硅烷（SiH₄）和氨气（NH₃），它们为薄膜的原子结构提供构件。这些气体几乎总是与载气（如氮气（N₂）或氩气（Ar））一起使用，以稀释反应物并稳定等离子体，或者与清洗气体（如四氟化碳（CF₄））一起使用以维护腔室。

PECVD工艺中气体的选择并非随意；每种气体都有其明确和关键的功能。理解这些作用——作为前驱体、载气或清洗剂——是控制最终沉积材料性能的关键。

PECVD中气体的功能作用

要掌握PECVD工艺，您必须将气体视为具有特定任务的专业工具。它们通常分为以下三类之一。

前驱体气体是含有构建薄膜所需主要原子的反应性分子。等离子体提供能量来分解这些分子，使所需的原子沉积在基板上。

前驱体的选择直接决定了您所创建的材料。

这些是化学惰性的气体，不会成为最终薄膜的一部分，但对工艺控制至关重要。

它们的主要功能是稀释高反应性的前驱体气体，从而实现更安全的操作和对浓度的更精确控制。它们还有助于在整个腔室内维持稳定和均匀的等离子体。

常见的载气包括氩气（Ar）和**氮气（N₂) **，通常与前驱体预混合，例如“5% SiH₄ in N₂”。

随着时间的推移，沉积不仅发生在晶圆上，也会发生在腔室内的所有表面上。这种堆积物可能会剥落并在后续的运行中产生缺陷。

为防止这种情况，会使用蚀刻气体进行等离子体清洗步骤。 四氟化碳（CF₄）和氧气（O₂) 的混合物常用于蚀刻掉腔室壁上不需要的硅基沉积物，以确保工艺的可重复性。

前驱体和反应性气体的组合决定了薄膜的化学成分（化学计量比）。

氮化硅薄膜是通过将硅源与氮源结合而形成的。最常见的气体配方是硅烷（SiH₄）+ 氨气（NH₃）。使用纯氮气（N₂）也是可能的，但通常需要更高的等离子体功率。

要沉积二氧化硅，需要将硅源与氧源结合。典型的组合是硅烷（SiH₄）+ 一氧化二氮（N₂O）。通常比纯O₂更倾向于使用N₂O，因为它能带来更稳定的工艺和更好的薄膜质量。

对于这些坚硬、低摩擦的碳基涂层，需要碳氢化合物前驱体。 乙炔（C₂H₂) 是一种常见选择，它在等离子体中分解以提供薄膜的碳原子。

气体选择只是第一步。这些气体的精确控制，以及与其他工艺参数的协同作用，决定了最终结果。

即使是气体源中微小的杂质也可能被掺入到您的薄膜中，从而影响其性能。同样，两种前驱体气体（例如SiH₄与NH₃）之间流量比例的微小变化也会极大地改变薄膜的化学计量比、应力和光学特性。

气体流量以每分钟标准立方厘米（SCCM）控制。流量直接影响腔室中反应物的分压，进而影响沉积速率和薄膜在晶圆上的均匀性。

PECVD因其低温加工特性（通常为200-400°C）而受到重视。所选气体的行为以及它们化学反应的效率，高度依赖于在工艺设计所要求的正确温度和压力（1-2 Torr）范围内运行。

您的气体选择应完全取决于您打算创建的材料和需要达到的工艺稳定性。

如果您的主要重点是沉积硅基电介质：您将使用硅烷前驱体与氧源（N₂O、O₂）结合形成SiO₂，或与氮源（NH₃）结合形成SiN。
如果您的主要重点是创建坚硬、低摩擦的涂层：您需要碳氢化合物前驱体气体，如乙炔，来沉积DLC薄膜。
如果您的主要重点是工艺稳定性和可重复性：您必须精确控制您的前驱体和惰性载气（Ar、N₂）的流量，并实施强大的腔室清洗工艺，使用蚀刻气体（CF₄/O₂）。

最终，掌握这些不同气体功能之间的相互作用，是实现对PECVD结果进行控制的基础。