PECVD 薄膜沉積工藝虛擬仿真實驗設計與研究

李蒙蒙*，姚育成，呂輝，李勁，呂清花

（湖北工業大學理學院芯片產業學院 湖北 武漢 430068)

半導體制造是一門復雜的技術，涉及很多特殊工藝步驟、工藝原理、設備、材料及供應產業等方面，對技術人員的實踐能力有著較高的要求。實踐是人才培養的重要環節，對培養學生的實踐創新及動手能力、加深對理論知識的理解與應用有著至關重要的作用。PECVD 即等離子體增強化學氣相沉積是工業生產及科學研究中廣泛使用的薄膜沉積技術，PECVD 薄膜沉積實驗是微電子科學與工程、集成電路設計、電子科學與技術等專業學生實驗實踐課程的重要組成部分。但由于半導體制造技術的特殊性，具有對實驗環境條件要求高、工藝設備較昂貴、實驗室運行費用較高等特點，一般高校不具備微電子工藝實踐平臺，學生實驗多偏重于集成電路設計和半導體器件性能測試，缺乏實踐性及針對性較強的半導體工藝實訓實驗。即便是擁有工藝實踐平臺的高校，因PECVD 薄膜沉積實驗涉及易燃易爆和有毒有害工藝氣體的使用，且對機臺操作人員有資質要求等現實問題，此實驗開展受到極大限制，無法實現實驗室規模化開展，學生得不到動手實踐的機會。

另外，由于半導體制造產業對生產環境要求極高，為保證超凈、降噪等生產環境，生產現場人員及人數均需符合一定標準，產線通常不允許大批學生到現場實習操作，因此無論從學校實驗條件還是企業實踐條件來看，都無法滿足PECVD 薄膜沉積工藝實驗的要求。虛擬仿真實驗克服了實驗室實體教學成本、安全性、規模性等方面的問題，同時可更加生動形象地展示實驗機理，是PECVD 薄膜沉積實驗教學的理想方式，并與薄膜沉積實操觀摩實驗形成互補，為學生創新實踐能力培養提供支撐。

鑒于此，湖北工業大學（以下簡稱“我校”）依托科研平臺——太陽能高效利用湖北省協同創新中心、實驗實訓平臺——芯片設計與工藝實驗中心，以聚光光伏電池芯片制備工藝為工程實例，著重開展PECVD 技術沉積氮化硅增透膜虛擬仿真實驗。以學校微電子工藝實驗室實際環境及設備進行全真建模，以虛實結合的方式開展實驗，提高了學生的學習興趣，在培養學生的實踐創新及動手能力方面取得了較好的效果。可在ilab-x 實驗空間搜索“基于PECVD的聚光光伏電池芯片薄膜沉積工藝虛擬仿真實驗”查看該項目。

1 仿真實驗整體設計思路

PECVD 是化學氣相沉積的一種特殊形式，發展于20世紀70 年代，以滿足半導體工業發展對制備優質介質膜的需求，在光伏電池、LCD、LED 等行業有著廣泛的應用。PECVD 薄膜沉積是《集成電路制造技術——原理與工藝》理論教學及實驗教學的重要組成部分，鑒于該部分實驗教學的諸多限制，本虛擬仿真實驗教學項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”作為薄膜沉積實驗教學項目的一個應用場景。使學生能以較高視角把握PECVD薄膜沉積工藝在整個芯片制造工藝流程中發揮的作用、具備的地位，理解其在不同應用場景下的普遍性和特殊性。

研究設計了一套基于PECVD的聚光光伏電池芯片薄膜沉積工藝虛擬仿真實驗教學平臺，學生可以在計算機上進行仿真實驗，突破時間和空間的限制，方便大規模開展實驗教學。本虛擬仿真實驗教學項目根據PECVD 薄膜沉積原理、工藝操作的特點，將實驗教學融合在聚光光伏芯片制備應用場景下，以典型應用實例——聚光光伏芯片AR（Anti-reflection）膜工藝設計及制備為內容，整體設計實驗項目。實驗設計方案如圖1 所示。

圖1 實驗設計方案

2 教學模塊組成及實驗步驟

實驗教學項目組成模塊如圖2 所示，主要分為原理學習和工藝實驗兩部分。首先從宏觀上介紹芯片制造工藝原理及設備，該部分設計的目的在于，對已完成半導體工藝原理理論課程學習的學生起到復習溫故的作用，提升其對理論知識的理解；對尚未進行理論課學習的學生起到知識學習及儲備的作用。

圖2 實驗項目組成模塊

虛擬仿真工藝實驗模塊從工程實例——聚光光伏芯片工藝引入開始，介紹聚光光伏芯片制備工藝，并設置對應工藝設計仿真環節，考察及加深學生對半導體工藝技術在實際芯片制備中應用的掌握和理解。在此基礎上，進一步引出PECVD 沉積氮化硅增透膜工藝，使學生更好地理解薄膜沉積工藝在不同應用場景中的應用，提升專業應用的認知高度。通過虛擬仿真實驗，提升學生對理論知識的理解、工藝原理及操作的掌握、培養及提高工藝探究能力。

2.1 “聚光光伏芯片工藝”引入

本實驗教學項目將PECVD薄膜沉積技術融合在聚光光伏電池芯片制備應用場景下，學生通過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程以及PECVD技術在該場景下的應用。PECVD 薄膜沉積技術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光的透射率，提高電池光電轉換效率。

在日常理論教學中，一般較多講述單個工藝技術，學生較少接觸如何綜合運用多種工藝技術設計實現特定類型芯片的工藝制備，尤其是較難理解單個工藝技術在特定類型芯片制備工藝流程中所處的工序步驟，以及如何設計工藝流程以實現盡可能低的芯片制造成本及較好的性能。在本虛擬仿真實驗項目中，為加深學生對電池芯片制備工藝流程的理解，設計了針對該芯片的工藝設計仿真環節，考察學生理解及掌握情況。

2.2 PECVD 工藝實驗

以聚光光伏電池AR 膜制備為實例，開展PECVD 薄膜沉積工藝實驗。該模塊為本虛擬仿真實驗核心部分，主要包括PECVD 原理介紹、AR 膜設計、工藝車間VR 仿真、薄膜檢測等部分。

2.2.1 PECVD 工藝原理

PECVD 主要原理是通過輝光放電等離子場中的高能電子撞擊反應物氣體分子，使之激活并電離，在局部形成等離子體，而等離子體的化學活性很強，很容易發生反應，進而在襯底基片上沉積生長出所需薄膜。

以PECVD 沉積氮化硅薄膜為例，沉積過程中涉及主要工藝參數包括：反應氣體流量配比、襯底溫度、功率、腔室壓力等，工藝設計中需綜合考慮各工藝參數對薄膜質量的影響。氮化硅沉積化學反應方程式為：

本虛擬仿真實驗項目依據薄膜沉積理論模型——Grove 模型并參考經驗公式建模，模擬計算不同工藝參數對薄膜沉積的影響。在工藝編輯過程中，學生可在一定范圍內修改工藝參數值，計算并總結各工藝參數對薄膜沉積影響的規律。

2.2.2 工藝車間VR 仿真

以學校微電子工藝實驗室和PECVD機臺為真實環境構建VR（Virtual Reality）仿真車間，學生在虛擬仿真系統中進行薄膜沉積操作，且對較抽象的輝光放電、工藝操作過程中腔室內氣體變化、沉積后薄膜外觀等方面進行了較為生動的仿真，讓學生更為直觀地理解該部分對應理論知識和工藝知識。

VR 仿真核心要素設計如圖3 所示。

圖3 VR 仿真核心要素設計

VR仿真實驗部分設置三種不同學習模式：教學模式、練習模式、考核模式，滿足學生分階段學習需求。學生可在教學及練習模式下進行PECVD 薄膜沉積工藝操作學習，僅在考核模式下操作計入最終成績。學生可根據自身的學習程度，選擇不同模式進行實驗操作。VR 操作部分設計了真實環境中PECVD 沉積所有工藝環節：開機前準備、取放樣操作、工藝編輯及調用、特氣使用及安全管理、關機檢查、工藝日志調用及分析等部分。同時，為使學生更好地理解并掌握工藝探究過程，培養學生的工藝分析能力，在VR仿真實驗中加入模擬計算部分，學生可在一定范圍內改變工藝參數值，總結分析薄膜沉積規律，直觀展示各工藝參量對薄膜沉積的影響。

2.2.3 薄膜檢測、教學評價

現代半導體工藝中，薄膜起著至關重要的位置，無論制備薄膜的目的是科學研究還是工業生產，都是為了實現薄膜的特殊功能，因此需要對薄膜的特性進行檢測。薄膜性能檢測的目的就是通過檢測結果的指導，對薄膜質量進行評價，判斷是否滿足應用需求，進而尋找出最佳制備工藝條件。本實驗項目中薄膜檢測部分主要介紹常規薄膜檢測方法及檢測設備，同時利用實驗室現有檢測設備（白光干涉儀、橢偏儀）開展實體觀摩的薄膜檢測實驗，突出工藝實驗的實踐性。

實驗設計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。在考核模式下，學生在操作錯誤后，系統會給出正確操作提示，以便考核可繼續進行。學生在完成所有交互性步驟操作后，即可提交實驗報告結束實驗。學生實驗成績由后臺打分系統根據每一步操作情況自動打分匯總后得到，教師可在后臺查看學生的實驗得分情況，判斷學生的實驗完成度及掌握情況。

3 結語

PECVD 薄膜沉積工藝虛擬仿真實驗項目本著能實不虛，虛實結合的建設原則，解決了實體實驗教學設備昂貴和高危險性的問題。以聚光光伏電池制造工程項目為實例導入實驗，通過項目視頻導學、工藝設計、工藝編制、VR仿真操作等方式，激發學生學習興趣。最終達到對學生專業實踐能力、工藝研究能力、理解貫穿能力、工程實踐能力等的培養。同時也可為芯片產業技術人員提供低成本的培訓服務，增強社會服務能力。

本項目依托我校芯片設計與工藝實驗中心建設，在原有微電子工藝實驗課程的基礎上，進一步拓展完善工藝實驗課程覆蓋面，讓學生有更多工藝實訓實踐機會。同時，利用計算機技術的虛擬仿真實驗，突破了常規實驗對實驗環境、設備、材料、操作人數等的限制，易于大規模集中開展。該項目已納入我校微電子科學與工程、集成電路設計與集成系統、電子信息科學等專業教學計劃，并已完成多個教學周期，對培養和提高學生的實踐創新能力起到較好的作用。