PECVD 薄膜沉積工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

李蒙蒙*，姚育成，呂輝，李勁，呂清花

（湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院芯片產(chǎn)業(yè)學(xué)院 湖北 武漢 430068)

半導(dǎo)體制造是一門復(fù)雜的技術(shù)，涉及很多特殊工藝步驟、工藝原理、設(shè)備、材料及供應(yīng)產(chǎn)業(yè)等方面，對(duì)技術(shù)人員的實(shí)踐能力有著較高的要求。實(shí)踐是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新及動(dòng)手能力、加深對(duì)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。PECVD 即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積是工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中廣泛使用的薄膜沉積技術(shù)，PECVD 薄膜沉積實(shí)驗(yàn)是微電子科學(xué)與工程、集成電路設(shè)計(jì)、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的重要組成部分。但由于半導(dǎo)體制造技術(shù)的特殊性，具有對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件要求高、工藝設(shè)備較昂貴、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行費(fèi)用較高等特點(diǎn)，一般高校不具備微電子工藝實(shí)踐平臺(tái)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)多偏重于集成電路設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體器件性能測(cè)試，缺乏實(shí)踐性及針對(duì)性較強(qiáng)的半導(dǎo)體工藝實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。即便是擁有工藝實(shí)踐平臺(tái)的高校，因PECVD 薄膜沉積實(shí)驗(yàn)涉及易燃易爆和有毒有害工藝氣體的使用，且對(duì)機(jī)臺(tái)操作人員有資質(zhì)要求等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，此實(shí)驗(yàn)開展受到極大限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室規(guī)?；_展，學(xué)生得不到動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

另外，由于半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求極高，為保證超凈、降噪等生產(chǎn)環(huán)境，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員及人數(shù)均需符合一定標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)線通常不允許大批學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)操作，因此無(wú)論從學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件還是企業(yè)實(shí)踐條件來(lái)看，都無(wú)法滿足PECVD 薄膜沉積工藝實(shí)驗(yàn)的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)克服了實(shí)驗(yàn)室實(shí)體教學(xué)成本、安全性、規(guī)模性等方面的問(wèn)題，同時(shí)可更加生動(dòng)形象地展示實(shí)驗(yàn)機(jī)理，是PECVD 薄膜沉積實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理想方式，并與薄膜沉積實(shí)操觀摩實(shí)驗(yàn)形成互補(bǔ)，為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)提供支撐。

鑒于此，湖北工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┮劳锌蒲衅脚_(tái)——太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)——芯片設(shè)計(jì)與工藝實(shí)驗(yàn)中心，以聚光光伏電池芯片制備工藝為工程實(shí)例，著重開展PECVD 技術(shù)沉積氮化硅增透膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。以學(xué)校微電子工藝實(shí)驗(yàn)室實(shí)際環(huán)境及設(shè)備進(jìn)行全真建模，以虛實(shí)結(jié)合的方式開展實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新及動(dòng)手能力方面取得了較好的效果?？稍趇lab-x 實(shí)驗(yàn)空間搜索“基于PECVD的聚光光伏電池芯片薄膜沉積工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”查看該項(xiàng)目。

1 仿真實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)思路

PECVD 是化學(xué)氣相沉積的一種特殊形式，發(fā)展于20世紀(jì)70 年代，以滿足半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展對(duì)制備優(yōu)質(zhì)介質(zhì)膜的需求，在光伏電池、LCD、LED 等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。PECVD 薄膜沉積是《集成電路制造技術(shù)——原理與工藝》理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，鑒于該部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多限制，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目利用單位前期在能量光電子器件制備方面的成果，選用“聚光光伏芯片制備”作為薄膜沉積實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。使學(xué)生能以較高視角把握PECVD薄膜沉積工藝在整個(gè)芯片制造工藝流程中發(fā)揮的作用、具備的地位，理解其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的普遍性和特殊性。

研究設(shè)計(jì)了一套基于PECVD的聚光光伏電池芯片薄膜沉積工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，突破時(shí)間和空間的限制，方便大規(guī)模開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目根據(jù)PECVD 薄膜沉積原理、工藝操作的特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合在聚光光伏芯片制備應(yīng)用場(chǎng)景下，以典型應(yīng)用實(shí)例——聚光光伏芯片AR（Anti-reflection）膜工藝設(shè)計(jì)及制備為內(nèi)容，整體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 教學(xué)模塊組成及實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目組成模塊如圖2 所示，主要分為原理學(xué)習(xí)和工藝實(shí)驗(yàn)兩部分。首先從宏觀上介紹芯片制造工藝原理及設(shè)備，該部分設(shè)計(jì)的目的在于，對(duì)已完成半導(dǎo)體工藝原理理論課程學(xué)習(xí)的學(xué)生起到復(fù)習(xí)溫故的作用，提升其對(duì)理論知識(shí)的理解；對(duì)尚未進(jìn)行理論課學(xué)習(xí)的學(xué)生起到知識(shí)學(xué)習(xí)及儲(chǔ)備的作用。

圖2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成模塊

虛擬仿真工藝實(shí)驗(yàn)?zāi)K從工程實(shí)例——聚光光伏芯片工藝引入開始，介紹聚光光伏芯片制備工藝，并設(shè)置對(duì)應(yīng)工藝設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)，考察及加深學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體工藝技術(shù)在實(shí)際芯片制備中應(yīng)用的掌握和理解。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引出PECVD 沉積氮化硅增透膜工藝，使學(xué)生更好地理解薄膜沉積工藝在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的應(yīng)用，提升專業(yè)應(yīng)用的認(rèn)知高度。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解、工藝原理及操作的掌握、培養(yǎng)及提高工藝探究能力。

2.1 “聚光光伏芯片工藝”引入

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目將PECVD薄膜沉積技術(shù)融合在聚光光伏電池芯片制備應(yīng)用場(chǎng)景下，學(xué)生通過(guò)觀看光伏電池芯片制備工藝視頻，直觀了解芯片制造工藝過(guò)程以及PECVD技術(shù)在該場(chǎng)景下的應(yīng)用。PECVD 薄膜沉積技術(shù)在聚光光伏電池芯片制造中，主要用于制備AR 膜即增透膜，以增大入射到電池表面太陽(yáng)光的透射率，提高電池光電轉(zhuǎn)換效率。

在日常理論教學(xué)中，一般較多講述單個(gè)工藝技術(shù)，學(xué)生較少接觸如何綜合運(yùn)用多種工藝技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定類型芯片的工藝制備，尤其是較難理解單個(gè)工藝技術(shù)在特定類型芯片制備工藝流程中所處的工序步驟，以及如何設(shè)計(jì)工藝流程以實(shí)現(xiàn)盡可能低的芯片制造成本及較好的性能。在本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，為加深學(xué)生對(duì)電池芯片制備工藝流程的理解，設(shè)計(jì)了針對(duì)該芯片的工藝設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)，考察學(xué)生理解及掌握情況。

2.2 PECVD 工藝實(shí)驗(yàn)

以聚光光伏電池AR 膜制備為實(shí)例，開展PECVD 薄膜沉積工藝實(shí)驗(yàn)。該模塊為本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)核心部分，主要包括PECVD 原理介紹、AR 膜設(shè)計(jì)、工藝車間VR 仿真、薄膜檢測(cè)等部分。

2.2.1 PECVD 工藝原理

PECVD 主要原理是通過(guò)輝光放電等離子場(chǎng)中的高能電子撞擊反應(yīng)物氣體分子，使之激活并電離，在局部形成等離子體，而等離子體的化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而在襯底基片上沉積生長(zhǎng)出所需薄膜。

以PECVD 沉積氮化硅薄膜為例，沉積過(guò)程中涉及主要工藝參數(shù)包括：反應(yīng)氣體流量配比、襯底溫度、功率、腔室壓力等，工藝設(shè)計(jì)中需綜合考慮各工藝參數(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。氮化硅沉積化學(xué)反應(yīng)方程式為：

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依據(jù)薄膜沉積理論模型——Grove 模型并參考經(jīng)驗(yàn)公式建模，模擬計(jì)算不同工藝參數(shù)對(duì)薄膜沉積的影響。在工藝編輯過(guò)程中，學(xué)生可在一定范圍內(nèi)修改工藝參數(shù)值，計(jì)算并總結(jié)各工藝參數(shù)對(duì)薄膜沉積影響的規(guī)律。

2.2.2 工藝車間VR 仿真

以學(xué)校微電子工藝實(shí)驗(yàn)室和PECVD機(jī)臺(tái)為真實(shí)環(huán)境構(gòu)建VR（Virtual Reality）仿真車間，學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)中進(jìn)行薄膜沉積操作，且對(duì)較抽象的輝光放電、工藝操作過(guò)程中腔室內(nèi)氣體變化、沉積后薄膜外觀等方面進(jìn)行了較為生動(dòng)的仿真，讓學(xué)生更為直觀地理解該部分對(duì)應(yīng)理論知識(shí)和工藝知識(shí)。

VR 仿真核心要素設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 VR 仿真核心要素設(shè)計(jì)

VR仿真實(shí)驗(yàn)部分設(shè)置三種不同學(xué)習(xí)模式：教學(xué)模式、練習(xí)模式、考核模式，滿足學(xué)生分階段學(xué)習(xí)需求。學(xué)生可在教學(xué)及練習(xí)模式下進(jìn)行PECVD 薄膜沉積工藝操作學(xué)習(xí)，僅在考核模式下操作計(jì)入最終成績(jī)。學(xué)生可根據(jù)自身的學(xué)習(xí)程度，選擇不同模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。VR 操作部分設(shè)計(jì)了真實(shí)環(huán)境中PECVD 沉積所有工藝環(huán)節(jié)：開機(jī)前準(zhǔn)備、取放樣操作、工藝編輯及調(diào)用、特氣使用及安全管理、關(guān)機(jī)檢查、工藝日志調(diào)用及分析等部分。同時(shí)，為使學(xué)生更好地理解并掌握工藝探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的工藝分析能力，在VR仿真實(shí)驗(yàn)中加入模擬計(jì)算部分，學(xué)生可在一定范圍內(nèi)改變工藝參數(shù)值，總結(jié)分析薄膜沉積規(guī)律，直觀展示各工藝參量對(duì)薄膜沉積的影響。

2.2.3 薄膜檢測(cè)、教學(xué)評(píng)價(jià)

現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝中，薄膜起著至關(guān)重要的位置，無(wú)論制備薄膜的目的是科學(xué)研究還是工業(yè)生產(chǎn)，都是為了實(shí)現(xiàn)薄膜的特殊功能，因此需要對(duì)薄膜的特性進(jìn)行檢測(cè)。薄膜性能檢測(cè)的目的就是通過(guò)檢測(cè)結(jié)果的指導(dǎo)，對(duì)薄膜質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷是否滿足應(yīng)用需求，進(jìn)而尋找出最佳制備工藝條件。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中薄膜檢測(cè)部分主要介紹常規(guī)薄膜檢測(cè)方法及檢測(cè)設(shè)備，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備（白光干涉儀、橢偏儀）開展實(shí)體觀摩的薄膜檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，突出工藝實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三十余步交互性操作，其中VR 仿真操作部分僅記錄考核模式下操作成績(jī)。在考核模式下，學(xué)生在操作錯(cuò)誤后，系統(tǒng)會(huì)給出正確操作提示，以便考核可繼續(xù)進(jìn)行。學(xué)生在完成所有交互性步驟操作后，即可提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)束實(shí)驗(yàn)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)由后臺(tái)打分系統(tǒng)根據(jù)每一步操作情況自動(dòng)打分匯總后得到，教師可在后臺(tái)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)得分情況，判斷學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成度及掌握情況。

3 結(jié)語(yǔ)

PECVD 薄膜沉積工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目本著能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合的建設(shè)原則，解決了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備昂貴和高危險(xiǎn)性的問(wèn)題。以聚光光伏電池制造工程項(xiàng)目為實(shí)例導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)，通過(guò)項(xiàng)目視頻導(dǎo)學(xué)、工藝設(shè)計(jì)、工藝編制、VR仿真操作等方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。最終達(dá)到對(duì)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力、工藝研究能力、理解貫穿能力、工程實(shí)踐能力等的培養(yǎng)。同時(shí)也可為芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員提供低成本的培訓(xùn)服務(wù)，增強(qiáng)社會(huì)服務(wù)能力。

本項(xiàng)目依托我校芯片設(shè)計(jì)與工藝實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)，在原有微電子工藝實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展完善工藝實(shí)驗(yàn)課程覆蓋面，讓學(xué)生有更多工藝實(shí)訓(xùn)實(shí)踐機(jī)會(huì)。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，突破了常規(guī)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)備、材料、操作人數(shù)等的限制，易于大規(guī)模集中開展。該項(xiàng)目已納入我校微電子科學(xué)與工程、集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)、電子信息科學(xué)等專業(yè)教學(xué)計(jì)劃，并已完成多個(gè)教學(xué)周期，對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力起到較好的作用。