什么是Pecvd工艺？实现低温、高质量薄膜沉积

简而言之，PECVD工艺利用激发态的等离子体来分解前驱体气体，并将固体薄膜沉积到基板上。它是一个五步序列：将反应气体引入真空室，施加电场产生等离子体，使等离子体中的活性物质在基板表面反应，逐层构建薄膜，最后清除气态副产物。

现代器件制造中的核心挑战是在不产生高温破坏性影响的情况下沉积高质量薄膜。PECVD通过用等离子体能量取代强烈的热能来解决这个问题，从而使化学反应能够在显著更低的温度下发生。

问题：为什么高温是一个障碍

在传统的化学气相沉积（CVD）中，极高的热量（通常>600°C）是驱动化学反应的引擎。热能对于分解稳定的气体分子至关重要，以便它们能够反应并在基板上形成薄膜。

然而，对于许多先进应用，如半导体制造，高温是具有破坏性的。它们可能会损坏或改变硅晶圆上预先存在的精细图案化电路。这种热预算限制催生了对不同能源的需求。

PECVD技术通过创建低温、富含能量的等离子体来规避高温问题。这通常在一个含有两个平行电极的真空室内完成。

该过程首先将精确计量的前驱体气体引入反应室。例如，要制造氮化硅薄膜，会使用硅烷（SiH₄）和氨气（NH₃）等气体，通常用氮气等惰性气体稀释。

在室内的电极之间施加高频电场或磁场。该电场激发气体混合物，使一些气体分子中的电子被剥离。

这些自由电子与其它中性气体分子碰撞，产生离子和其他高活性物质的级联反应。这种电离气体就是等离子体，它会发光，并在没有高温的情况下含有巨大的化学势能。

在等离子体中产生的活性化学物质扩散到加热的基板上，基板的温度通常比传统CVD低得多（200-400°C）。

这些活化的分子吸附到基板表面。由于它们已经处于高反应状态，它们很容易发生化学反应，形成所需的固体材料。

这些表面反应的产物键合到基板上，形成一层薄的固体薄膜。这个过程持续进行，逐层构建薄膜，达到精确控制的厚度，范围可以从几纳米到几微米。

化学反应还会产生挥发性副产物（例如氢气）。一个连续的真空系统会主动将这些副产物泵出室外，确保过程清洁和薄膜沉积的纯净性。

沉积薄膜的质量、厚度和性能并非偶然。它们是通过精确调整四个关键工艺参数来控制的。

尽管PECVD是一种“低温”工艺，但基板温度在控制表面迁移率和化学反应速率方面仍然起着关键作用，这会影响最终薄膜的密度和应力。

室内压力（通常<0.1 Torr）影响等离子体的密度和气体分子的平均自由程。这会影响薄膜在基板上的均匀性。

每种前驱体气体的流速决定了薄膜的化学计量比。例如，调节硅烷与氨气的比例，会直接改变所得氮化硅薄膜的性能。

用于产生等离子体的功率（通常为100-300 eV）控制着离子和活性物质的密度。更高的功率可以提高沉积速率，但也存在离子轰击对基板造成损坏的风险。

没有技术是完美的。PECVD的主要优点是其低温沉积特性，可以保护敏感器件。

主要的权衡是薄膜的性能可能与高温下生长的薄膜不同。例如，PECVD氮化硅含有大量的氢，这会影响其电学性能。此外，如果控制不当，等离子体本身有时会对基板表面造成物理损伤。

对于许多应用来说，为了获得低温处理这一关键优势，这些都是可以接受的权衡。

您选择的沉积方法完全取决于您的基板的热敏感性以及您要求的薄膜质量。

如果您的主要重点是在已完成的器件或对温度敏感的材料上沉积薄膜： PECVD几乎总是正确的选择，因为它能防止热损伤。
如果您的主要重点是在坚固的基板上实现尽可能高的薄膜纯度和密度： 像低压CVD (LPCVD) 这样的高温工艺可能是更好的选择，前提是您的材料能够承受高温。

最终，PECVD使得制造纯热法无法实现的复杂多层器件成为可能。