PECVD 薄膜沉积工艺虚拟仿真实验设计与研究

李蒙蒙*，姚育成，吕辉，李劲，吕清花

（湖北工业大学理学院芯片产业学院 湖北 武汉 430068)

半导体制造是一门复杂的技术，涉及很多特殊工艺步骤、工艺原理、设备、材料及供应产业等方面，对技术人员的实践能力有着较高的要求。实践是人才培养的重要环节，对培养学生的实践创新及动手能力、加深对理论知识的理解与应用有着至关重要的作用。PECVD 即等离子体增强化学气相沉积是工业生产及科学研究中广泛使用的薄膜沉积技术，PECVD 薄膜沉积实验是微电子科学与工程、集成电路设计、电子科学与技术等专业学生实验实践课程的重要组成部分。但由于半导体制造技术的特殊性，具有对实验环境条件要求高、工艺设备较昂贵、实验室运行费用较高等特点，一般高校不具备微电子工艺实践平台，学生实验多偏重于集成电路设计和半导体器件性能测试，缺乏实践性及针对性较强的半导体工艺实训实验。即便是拥有工艺实践平台的高校，因PECVD 薄膜沉积实验涉及易燃易爆和有毒有害工艺气体的使用，且对机台操作人员有资质要求等现实问题，此实验开展受到极大限制，无法实现实验室规模化开展，学生得不到动手实践的机会。

另外，由于半导体制造产业对生产环境要求极高，为保证超净、降噪等生产环境，生产现场人员及人数均需符合一定标准，产线通常不允许大批学生到现场实习操作，因此无论从学校实验条件还是企业实践条件来看，都无法满足PECVD 薄膜沉积工艺实验的要求。虚拟仿真实验克服了实验室实体教学成本、安全性、规模性等方面的问题，同时可更加生动形象地展示实验机理，是PECVD 薄膜沉积实验教学的理想方式，并与薄膜沉积实操观摩实验形成互补，为学生创新实践能力培养提供支撑。

鉴于此，湖北工业大学（以下简称“我校”）依托科研平台——太阳能高效利用湖北省协同创新中心、实验实训平台——芯片设计与工艺实验中心，以聚光光伏电池芯片制备工艺为工程实例，着重开展PECVD 技术沉积氮化硅增透膜虚拟仿真实验。以学校微电子工艺实验室实际环境及设备进行全真建模，以虚实结合的方式开展实验，提高了学生的学习兴趣，在培养学生的实践创新及动手能力方面取得了较好的效果。可在ilab-x 实验空间搜索“基于PECVD的聚光光伏电池芯片薄膜沉积工艺虚拟仿真实验”查看该项目。

1 仿真实验整体设计思路

PECVD 是化学气相沉积的一种特殊形式，发展于20世纪70 年代，以满足半导体工业发展对制备优质介质膜的需求，在光伏电池、LCD、LED 等行业有着广泛的应用。PECVD 薄膜沉积是《集成电路制造技术——原理与工艺》理论教学及实验教学的重要组成部分，鉴于该部分实验教学的诸多限制，本虚拟仿真实验教学项目利用单位前期在能量光电子器件制备方面的成果，选用“聚光光伏芯片制备”作为薄膜沉积实验教学项目的一个应用场景。使学生能以较高视角把握PECVD薄膜沉积工艺在整个芯片制造工艺流程中发挥的作用、具备的地位，理解其在不同应用场景下的普遍性和特殊性。

研究设计了一套基于PECVD的聚光光伏电池芯片薄膜沉积工艺虚拟仿真实验教学平台，学生可以在计算机上进行仿真实验，突破时间和空间的限制，方便大规模开展实验教学。本虚拟仿真实验教学项目根据PECVD 薄膜沉积原理、工艺操作的特点，将实验教学融合在聚光光伏芯片制备应用场景下，以典型应用实例——聚光光伏芯片AR（Anti-reflection）膜工艺设计及制备为内容，整体设计实验项目。实验设计方案如图1 所示。

图1 实验设计方案

2 教学模块组成及实验步骤

实验教学项目组成模块如图2 所示，主要分为原理学习和工艺实验两部分。首先从宏观上介绍芯片制造工艺原理及设备，该部分设计的目的在于，对已完成半导体工艺原理理论课程学习的学生起到复习温故的作用，提升其对理论知识的理解；对尚未进行理论课学习的学生起到知识学习及储备的作用。

图2 实验项目组成模块

虚拟仿真工艺实验模块从工程实例——聚光光伏芯片工艺引入开始，介绍聚光光伏芯片制备工艺，并设置对应工艺设计仿真环节，考察及加深学生对半导体工艺技术在实际芯片制备中应用的掌握和理解。在此基础上，进一步引出PECVD 沉积氮化硅增透膜工艺，使学生更好地理解薄膜沉积工艺在不同应用场景中的应用，提升专业应用的认知高度。通过虚拟仿真实验，提升学生对理论知识的理解、工艺原理及操作的掌握、培养及提高工艺探究能力。

2.1 “聚光光伏芯片工艺”引入

本实验教学项目将PECVD薄膜沉积技术融合在聚光光伏电池芯片制备应用场景下，学生通过观看光伏电池芯片制备工艺视频，直观了解芯片制造工艺过程以及PECVD技术在该场景下的应用。PECVD 薄膜沉积技术在聚光光伏电池芯片制造中，主要用于制备AR 膜即增透膜，以增大入射到电池表面太阳光的透射率，提高电池光电转换效率。

在日常理论教学中，一般较多讲述单个工艺技术，学生较少接触如何综合运用多种工艺技术设计实现特定类型芯片的工艺制备，尤其是较难理解单个工艺技术在特定类型芯片制备工艺流程中所处的工序步骤，以及如何设计工艺流程以实现尽可能低的芯片制造成本及较好的性能。在本虚拟仿真实验项目中，为加深学生对电池芯片制备工艺流程的理解，设计了针对该芯片的工艺设计仿真环节，考察学生理解及掌握情况。

2.2 PECVD 工艺实验

以聚光光伏电池AR 膜制备为实例，开展PECVD 薄膜沉积工艺实验。该模块为本虚拟仿真实验核心部分，主要包括PECVD 原理介绍、AR 膜设计、工艺车间VR 仿真、薄膜检测等部分。

2.2.1 PECVD 工艺原理

PECVD 主要原理是通过辉光放电等离子场中的高能电子撞击反应物气体分子，使之激活并电离，在局部形成等离子体，而等离子体的化学活性很强，很容易发生反应，进而在衬底基片上沉积生长出所需薄膜。

以PECVD 沉积氮化硅薄膜为例，沉积过程中涉及主要工艺参数包括：反应气体流量配比、衬底温度、功率、腔室压力等，工艺设计中需综合考虑各工艺参数对薄膜质量的影响。氮化硅沉积化学反应方程式为：

本虚拟仿真实验项目依据薄膜沉积理论模型——Grove 模型并参考经验公式建模，模拟计算不同工艺参数对薄膜沉积的影响。在工艺编辑过程中，学生可在一定范围内修改工艺参数值，计算并总结各工艺参数对薄膜沉积影响的规律。

2.2.2 工艺车间VR 仿真

以学校微电子工艺实验室和PECVD机台为真实环境构建VR（Virtual Reality）仿真车间，学生在虚拟仿真系统中进行薄膜沉积操作，且对较抽象的辉光放电、工艺操作过程中腔室内气体变化、沉积后薄膜外观等方面进行了较为生动的仿真，让学生更为直观地理解该部分对应理论知识和工艺知识。

VR 仿真核心要素设计如图3 所示。

图3 VR 仿真核心要素设计

VR仿真实验部分设置三种不同学习模式：教学模式、练习模式、考核模式，满足学生分阶段学习需求。学生可在教学及练习模式下进行PECVD 薄膜沉积工艺操作学习，仅在考核模式下操作计入最终成绩。学生可根据自身的学习程度，选择不同模式进行实验操作。VR 操作部分设计了真实环境中PECVD 沉积所有工艺环节：开机前准备、取放样操作、工艺编辑及调用、特气使用及安全管理、关机检查、工艺日志调用及分析等部分。同时，为使学生更好地理解并掌握工艺探究过程，培养学生的工艺分析能力，在VR仿真实验中加入模拟计算部分，学生可在一定范围内改变工艺参数值，总结分析薄膜沉积规律，直观展示各工艺参量对薄膜沉积的影响。

2.2.3 薄膜检测、教学评价

现代半导体工艺中，薄膜起着至关重要的位置，无论制备薄膜的目的是科学研究还是工业生产，都是为了实现薄膜的特殊功能，因此需要对薄膜的特性进行检测。薄膜性能检测的目的就是通过检测结果的指导，对薄膜质量进行评价，判断是否满足应用需求，进而寻找出最佳制备工艺条件。本实验项目中薄膜检测部分主要介绍常规薄膜检测方法及检测设备，同时利用实验室现有检测设备（白光干涉仪、椭偏仪）开展实体观摩的薄膜检测实验，突出工艺实验的实践性。

实验设计三十余步交互性操作，其中VR 仿真操作部分仅记录考核模式下操作成绩。在考核模式下，学生在操作错误后，系统会给出正确操作提示，以便考核可继续进行。学生在完成所有交互性步骤操作后，即可提交实验报告结束实验。学生实验成绩由后台打分系统根据每一步操作情况自动打分汇总后得到，教师可在后台查看学生的实验得分情况，判断学生的实验完成度及掌握情况。

3 结语

PECVD 薄膜沉积工艺虚拟仿真实验项目本着能实不虚，虚实结合的建设原则，解决了实体实验教学设备昂贵和高危险性的问题。以聚光光伏电池制造工程项目为实例导入实验，通过项目视频导学、工艺设计、工艺编制、VR仿真操作等方式，激发学生学习兴趣。最终达到对学生专业实践能力、工艺研究能力、理解贯穿能力、工程实践能力等的培养。同时也可为芯片产业技术人员提供低成本的培训服务，增强社会服务能力。

本项目依托我校芯片设计与工艺实验中心建设，在原有微电子工艺实验课程的基础上，进一步拓展完善工艺实验课程覆盖面，让学生有更多工艺实训实践机会。同时，利用计算机技术的虚拟仿真实验，突破了常规实验对实验环境、设备、材料、操作人数等的限制，易于大规模集中开展。该项目已纳入我校微电子科学与工程、集成电路设计与集成系统、电子信息科学等专业教学计划，并已完成多个教学周期，对培养和提高学生的实践创新能力起到较好的作用。