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PECVD工序工艺培训资料


PECVD 工序工艺培训资料
PECVD:等离子增强化学气相淀积 英文全称为 Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition

一、PECVD 目的
在硅片表面沉积一层氮化硅减反射膜,以增加入射在硅片上的光的透射,减 少反射,氢原子搀杂在氮化硅中附加了氢的钝化作用。

二、镀膜原理

r />光照射在硅片表面时, 反射会使光损失约三分之一。如果在硅表面有一层或 多层合适的薄膜,利用薄膜干涉原理,可以使光的反射大为减少,这种膜称为太 阳电池的减反射膜(ARC,antireflection coating) 。 管式 PECVD 的原理就是通过脉冲射频激发受热的稀薄气体进行辉光放电形 成等离子体, 通过两片相对应的石墨片加相反的交变电压使等离子在极板间加速 撞击气体,运动到硅片表面完成镀膜过程。

3SiH 4 ? 4 NH 3 ? Si 3 N 4 ? 12 H 2 ?
350 ℃

等离子体

三、镀膜的相关介绍
1、机台照片与工作原理图

2、等离子体

所谓等离子体,是指气体在一定条件下受到高能激发,发生电离,部分外层 电子脱离原子核,形成电子、正离子和中性粒子混合组成的一种形态,这种形态 就称为等离子态。

3SiH 4 ? SiH 3 ? SiH 2 ? SiH 3? ? 6 H ?
350 ℃

等离子体

?

2?

2 NH 3

等离子体 350 ℃

?

NH 2 ? NH 2? ? 3H ?

?

等离子体在化学气相沉积中有如下作用: (1).将反应物中的气体分子激活成活性离子,降低反应所需的温度; (2).加速反应物在基片表面的扩散作用(表面迁移作用) ,提高成膜速度; (3).对于基体表面及膜层表面具有溅射清洗作用, 溅射掉那些结合不牢的粒 子,从而加强了形成的薄膜和基片的附着力; (4).由于反应物中的原子、分子、离子和电子之间的碰撞、散射作用,使形 成的薄膜厚度均匀

3、镀膜的方式分类
间接等离子: 等离子没有直接和硅片接触, 基片不接触激发电极 ( Roth&Rau) 直接等离子:等离子直接接触硅片,基片位于一个电极上,直接接触等离子 体( Centrotherm 、岛津) 间接等离子 等离子不直接接触硅片 等离子高能量密度 高效的间接激活方式 downstream 丧失有活性的反应物 高频限制沉积区域 存在混合和沉积的均匀性问题 硅片不会影响等离子的控制 没有等离子加热 只会由于机器本身产生色差片 直接等离子 等离子直接接触硅片,会对硅片表面造成轰击 等离子低能量密度 point-of-use 的激活方式 downstream 短,反应物可以被激活 低频可以满足较大的沉积区域 混合和沉积降至最低的不均匀 硅片会影响等离子的控制,会造成色差等影响 等离子加热硅片,钝化效果会加强 除了机器本身,还有其他原因产生色差片

四、影响镀膜效果的主要参数
影响镀膜效果主要的机器本身工艺参数有: (1).镀膜工艺时候真空压力 (2).镀膜工艺温度

(3).镀膜工艺

NH 3

SiH 4

气体流量比

(4).镀膜工艺 NH 3 和 SiH 4 总气体流量 (5).射频功率以及脉冲开关时间 (6).等离子体的沉积方向 由于管式 PECVD 是直接镀膜过程,镀膜效果会受到很多外界因素的干扰, 并且这些干扰对膜的质量产生很严重的影响; (1).石墨舟本身的使用状况 (2).硅片表面形貌的差异

五、管式 PECVD 镀膜的各工艺参数具体控制范围
1.镀膜工艺时候真空压力
真空压力对镀膜速率而言很重要,是成膜较为关键的因素,目前在尚德镀膜 工艺保持稳定的情况下,管式 PECVD 的真空压力为; 156 多晶:1700 mTorr ,大约相当于 226.65 Pa。 125 单晶:1700 mTorr ,大约相当于 226.65 Pa。

2.镀膜工艺温度
管式 PECVD 工艺时温度为 430℃--450℃
NH 3

3.镀膜工艺
156 多晶: 125 单晶:

SiH 4 气体流量比 SiH 4 SiH 4

NH 3 NH 3

=5000sccm:600sccm (单位为每分钟标准立方厘米) =4200 sccm:500 sccm (单位为每分钟标准立方厘米)

4.镀膜工艺 NH 3 和 SiH 4 总气体流量 5.射频功率以及脉冲开关时间
射频功率也是影响镀膜成膜的较重要的因素,也是优化工艺时必须考虑的因 素,目前射频功率新工艺射频功率为; 156 多晶:P=3800W , t on =5 ms
t off = 40 ms ,

平均功率为 Paverage ? P ? 125 单晶: P=3250W , t on =5 ms

t on = 422.2W t on ? t off

t off = 40 ms ,

平均功率为 Paverage ? P ?

t on = 361.1W t on ? t off

6.等离子体的沉积方向
插片时硅片载体被工艺点固定,在硅片和石墨舟片接触很紧密的情况下(即 硅片本身不弯曲,插片不翘起) ,等离子基本上是垂直撞击到硅片表面。

三、PECVD 膜的作用、简述膜的特性
1、氮化硅膜的减反原理
光照射在硅片表面时, 反射会使光损失约三分之一。如果在硅表面有一层或 多层合适的薄膜,利用薄膜干涉原理,可以使光的反射大为减少,这种膜称为太 阳电池的减反射膜(ARC,antireflection coating) 。 照射到硅片上的光因为反射不能全部被硅吸收。 反射百分率的大小取决于硅 和外界透明介质的折射率。垂直入射时,硅片表面的反射率 R 为:

在真空或大气中, 如果硅表面没有减反射膜,长波范围(1.1μ m)入射光损失 总量的 34%,短波范围(0.4 μ m)为 54%。即使在硅表面制作了绒面,由于入射光 产生多次反射而增加了吸收,但也有约 14%以上的反射损失。

如果在硅的表面制备一层透明的介质膜, 由于介质膜的两个界面上的反射光 相互干涉,可以在很宽的波长范围内降低反射率。此时反射率由下式给出:

式中, r1、r2 分别是外界介质一膜和膜一硅界面上的菲涅尔反射系数;△为 膜层厚度引起的相位角。它们可分别表示为:

其中,n0, n 和 ns:分别为外界介质、膜层和硅的折射率,λ 0 是入射光的 波长,d 是膜层的厚度。 当波 长 为 λ 0 的光垂直入射时,如果当 nd= λ 0 /4 ,则由式

可得: 为了使反射损失减到最小,即希望 Rλ 0 =0, 应有:

(最佳减反射膜的折射率计算公式 ) 硅的折射率 nsi=3.9,n0=1 :

从裸露的硅表面和从覆盖有折射率为 1.9 和 2.3 的减反射膜的硅表面反射 的正常入射光的百分比与波长的关系:

2、氮化硅膜的钝化效果
PECVD 沉积 SixNy 薄膜有一定程度的表面损伤, 同时薄膜中有较高含量的氢, 容易和空位形成氢一空位对{V. H}+。空位还能增强氢的扩散,使氢与缺陷及晶 界处的悬挂键结合,从而减少界面态密度和复合中心。正电荷{V. H}+也改善了 SixNy/Si 的界面状态。很多文献资料显示,有效少数载流子寿命和 SixNy 膜中 的氢含量由一定的关系。多数情况下,氢含量较高,少子寿命也较大。但沉积温 度改变时有所不同, 可能是温度的升高更有利于粒子的运动,使 SixNy 膜中更多 的氢溢出, 到达界面或进入硅中, 消除悬挂键的活性, 从而获得更高的少子寿命。

这样,薄膜中的氢含量有可能降低。 合适条件的后退火能够进一步增强氢和氢一空位对{V. H}+的扩散,从而降 低表面复合速率,获得更好的钝化效果。但是退火温度过高时,SixNy 膜和硅中 的氢都会向外扩散溢出, 使氢含量迅速减少, 少子寿命急剧下降, 钝化效果消失。 PECVD 沉积氮化硅膜后,单晶硅少子寿命的提高主要是因为好的表面钝化。 对于多晶硅和其他低质量的硅片(如硅带) ,因为体内具有大量的空位、缺陷和 晶界等,除了表面钝化效果。因此,低质量硅片的氢钝化效果更明显。

3、氮化硅膜的抗干扰效果
氮化规的主要性质是对 H 2O 、O、Na、Al、Ga、In 等都具有极强的扩散阻 挡能力,使它成为一种较理想的保护电池的材料。

4、膜的特性
密度:3.19 g
cm 3

熔点:1900℃ 硬度:1000-2500 kgf 电阻率: 10 18 um ? cm 结晶晶系:六角晶系 晶格常数:a=0.76nm 介电常数:5-6 击穿场强: 1 ? 10 7 v cm 耐高温 耐腐蚀(除了 HF 和 H3PO4) 结构致密,强度大 + 阻挡碱金属离子侵蚀和扩散(Na ) 良好的绝缘性 耐湿性 c=0.291nm

mm

5、氮化硅颜色与厚度对照表:

四、管 P 常见的异常情况
1.边缘水纹

原因:因 2#HF 槽吹干效果不佳,导致正面边缘生产洛合物,再加上碱洗不干净 最终导致边缘水纹; 解决:改善 2#槽吹干效果,将碱槽浓度加大 2.红片 原因:(1).沉积时间过短; (2).减薄量过低; (3).石墨舟使用次数过多 (4).石墨舟预处理效果不佳 解决:(1).根据实际情况调整镀膜时间; (2).根据已镀膜完片子的情况,结合对应的减薄量,实时调整镀膜时间; (3).检查操作记录,确认舟已使用多少次,如果使用次数过多就要求员工 将石墨舟作刻蚀处理 (4).对该石墨舟尽早做刻蚀处理 3.淡蓝 原因:(1).沉积时间过长; (2).减薄量过高; 解决:(1). 根据实际情况调整镀膜时间;

(2).根据已镀膜完片子的情况,结合对应的减薄量,实时调整镀膜时间; 4.镀膜呈彩虹状 原因:弯曲片; 解决:对于弯曲片,因 Centrotherm 工艺原理所限,没有办法,所以弯曲片只能 在平板机器上做; 5.石墨舟掉片子,如下图所示:

原因:员工上料不牢,在机内碎片; 解决:掉了一片,就导致了上面两片异常片,对于右边这片肯定是要返工的;而 左边这片,图中所看到的是硅片的背面,而它的正面是好的,所以员工常 会将这样的片子留下面,下面是这种片子的电性能: Uoc 0.587~0.594 Isc 7.2~7.5 Rs 10~26 Rsh 3~50 FF 50~67 Eff 10%左右 Irev2 0.3~3

从上面的数据中可以看出,这样的片子肯定是 Jo 片,所以这种片子也是一 定要返工的; 6.异常色差,如下图所示:

原因:制绒槽的风刀堵住所致; 解决:更换风刀;

7.边缘色斑印,如下图所示,镀膜后该区域依然较明显:

原因:(1).清洗间出来的片子吹不干; (2).石英舟不干净; 解决:(1).检查到底是什么原因导致,是酸洗不脱水还是风刀吹不干导致,视实 际情况解决; (2).从上图可以看出, 边缘的色斑形状规则, 是石英舟的支撑杆处出现的, 须跟踪是哪个石英舟导致,将该石英舟停用作清洗; 8.工艺圆点大 原因:石墨舟的固定点磨损过深导致 解决:让设备人员将石墨舟拆洗,更换石墨片; 平板部分 9.Roth&Rau 的可控参数 (1). 压强 0.2mbar~0.3mbar 温度 350℃~400℃ 微波功率 2800W~3600W SiH4(0sccm~2000sccm)和 NH3(0sccm~2000sccm),SiH4 和 NH3 总气流量控 制在 2000sccm,而 NH3 和 SiH4 的比率控制在 2.9~3.6; 带速 150cm/min~170 cm/min 上面这些参数是常规调整参数,可对单框整体的膜厚和折射率进行控制; (2).进料腔的加热时间,进料腔和出料腔冲 NH3 的时间和流量,进料腔、预热腔 和工艺腔的加热器的输出功率,微波发生器的开关时间(基本没修改过); 第二组这些参数主要是调整温度、压强和等离子体浓度的均匀性; 10.膜厚与折射率不匹配 原因:(1).工艺腔压强异常;

(2).总气流和气流比率超出界限; (3).工艺腔严重漏气(具体参看 15) ; 解决:(1).检查工艺参数,是否被在线修改,工艺腔的压强基本都是 0.25mbar, 不能过低,比如不能小于 0.2mbar,如果压强过低的话,膜的折射率 会很小 1.8~1.9,且膜厚反而会偏厚; 压强为 0.1mbar 时, 电性能如下: Uoc P=0.1mbar 正常 0.596 0.6107 Isc 7.522 7.844 Rs 2.2 2.15 Rsh 87.01 89.74 FF 77.05 78.11 NCell 14.2 15.39 Irev2 0.43 0.44

(2).也需检查工艺参数是否被修改, 11.石墨框有一边边缘或一道出现发红现象(沿进框方向) 原因:(1).石英管的使用时间 (2).工艺腔内掉片 (3).石英管因其它原因导致其表面残留的氮化硅厚度不均,从而导致微波 受到削减 (4).特气气孔堵塞 (5).实际微波功率偏低 解决:(1).如果是石英管已用时间过长,督促尽早更换石英管 (2).开腔将碎片去除 (3).更换石英管 (4).这种情况较难发现,所以只能督促设备人员在维护时,清理干净,用 直径 1mm 左右的器具将气孔清理; (5).如(3).中说的,并不一定是微波功率本身偏低,但可以调整其解决已有 的问题,如果是左边偏红的话,可以适当提高右边微波的功率; 12.机器导致掉片 原因:(1).如果是机器内部掉片,内部压强差异导致的可能性更大, (2).机器外部掉片,则原因主要是传输带不平整导致 (3).石墨框的钩子和档针变形也会导致 (4).员工放片不到位也会导致 措施:(1).检查各腔体单周期内的压强变化趋势,特别是四个腔门在开关前后的 压强变化 (2).让设备人员排除传输带问题 (3).跟踪确切是哪个框在特定位置掉片,将其停用; (4).要求员工进框前,轻敲石墨框检查一下; 13.沿进框方向出现单框最前面 2~3 排或最后面 2~3 排整体发红, 如下图所示;

原因:因预热腔或冷却腔传动速度出现异常,和工艺腔匹配出现问题; 解决:让设备人员将设备软件重新运行后即可解决; (属于软件问题) 14.单框五道之间出现严重色差; 原因:工艺腔与外部连通,出现轻微漏气; 解决: 开腔后会发现膜较厚的那道对应的工艺腔的腔壁处也会有发白物质,更换 石英管; 也可以在电脑操作界面上确认各个腔体的漏气情况, 先将要确认的腔体抽 成真空,然后将其处于待机状态,察看压强升高的速度,标准是要 <0.0026mbar/min; 15.整框片子的膜颜色偏暗、发紫;
正常片 异常片

原因:工艺腔与外部连通,出现较严重的漏气; 解决:首先从外观上看,就能发现很异常了,测试其膜厚和折射率会发现它们之 间不匹配,比如膜厚 85 而折射率只有 1.8~1.9。出现这种情况一般是因 石英管的密封圈损坏和石英管爆裂导致, 具体导致上面两个原因的原因有 冷却水问题导致期间烧坏、石英管使用时间过长、石英管质量较差等等;

上面这张图片就是在石英管的密封圈烧坏后,腔盖的外观,在第四根和第八 根石英管处明显有发白的氧化硅类物质;

正常片 异常片 上面的两张图片是检验膜好坏较方便的方法,即用酒精滴到膜上面,如果如 左图所示, 酒精下膜颜色变化不大的话说明膜的致密性还正常;如果膜有异常的 话,颜色会变化很大,比如右图都已经变为硅本色了; 16.单片色差、单片发红或单片偏淡 原因:沉积时间、绒面差异导致; 解决:如果整框发红或偏淡,那么多数是沉积时间过短或过长所致;但如果是随 机的某一位置发红、 偏淡或单片色差,则主要是片与片之间或单片的绒面 差异导致,且在镀膜前,仔细观察就可以看出绒面的差异; 17.卡框 原因:(1).碎片挡住传感器; (2).传输系统在手动模式下,各个马达就不会按自动程序运行了; (3).出料腔的气压达不到要求; (4).其它特殊异常情况,比如:冷却水停、加热器报警、微波报警等; (5).腔体之间的传感器匹配出现问题, 解决:(1).如果碎片挡住传感器,传感器会处于常亮状态,这就需要设备人员来

解决; (2).出现卡框情况,自己先检查一下传输系统是否在手动模式下,如果是 则将其切换为自动模式; (3).可能是出料腔的密封性不佳,让设备人员检查出口出是否有碎片,有 的话将其清理; (4).这些特殊异常情况就需要联系设备、设施人员共同解决; (5). 传感器的匹配问题属于软件问题,软件升级后就没有出现这个问题; 18.折射率低 原因:(1).NH3 和 SiH4 流量比不恰当; (2).工艺腔的压强过低; (3).工艺腔的压强过高; 解决:(1).出现流量比不恰当的可能较小,如果是这一部分出现问题的话,估计 是特气的流量计或者特气的压力流量出现问题; (2).如果工艺腔的压强低于 0.2mbar 后,压强对折射率的影响将会非常明 显; (3).这里说的工艺腔压强过高,主要是指工艺腔的情况; 19.如下图所示:

镀膜前镀膜后 原因:硅片表面未吹干,有残留水液; 解决:调整风刀; 20.一种色斑,如下图所示:

原因:手指印; 解决: 目前主要认为是清洗的上下料和刻蚀的上下料,上面的两张图片就是清洗 下料手摸导致的,解决方法员工技能和员工意识;

五 、特殊气体的特性介绍
氨气 (NH3) 1、特性:
无色有刺激性恶臭的气体。易溶于水、乙醇、乙醚。主要用作制冷剂及制 取氨盐和氮肥。 2、危险性 易燃,燃烧产物为氧化氮、氨。与空气混合能形成爆炸性混合物,若遇明火 或高热能引起燃烧爆炸。与氟、氯等能发生剧烈的化学反应。若遇高热,容器内 压增大,有开列和爆炸的危险。 低浓度氨对粘膜有刺激作用,高浓度可造成组织溶解性坏死,引起化学性 肺炎及灼伤。急性中毒,轻者表现为皮肤、粘膜刺激反应,出现鼻炎、咽炎、器 官及支气管炎,可有角膜及皮肤灼伤。重度者出现喉头水肿,声音狭窄,呼吸道 粘膜细胞脱落,器官阻塞而窒息,可有中毒性肺水肿和肝损伤。氨可引起发射性 呼吸停止。如氨溅入眼内,可致晶体浑浊,角膜穿孔,甚至失明。 3、灭火方法 切断气源。若不能立即切断气源,则不允许熄灭正在燃烧的气体,喷水冷却 容器,可能的话将容器从火场移至空旷处。 4、储运注意事项 易燃、腐蚀性压缩气体。禁忌卤素、酰基氯,酸类、氯仿,强氧化剂。储存 于阴凉、干燥、通风处。远离火种、热源。防止阳光直射。应与卤素、酸类等分 开存放。罐储时要有防火防暴技术措施。配备相应品种和数量的消防器材。禁止 使用易产生火花的机械设备和工具。验收时要注意品名。注意验瓶日期,先进仓 的先发用。槽车运送时要罐装适量,不可超压超量运输。搬运时轻装轻卸,防止 钢瓶及部件破坏。运输按规定路线行驶,中途不得停驶。

5、急救措施 皮肤接触:立即脱去污染的衣着,用大量流动的清水彻底清洗。 或用 3%硼酸溶 液冲洗。若有灼伤,就医治疗。 眼睛接触:立即提起眼帘,用流动清水或生理盐水冲洗至少 15 分钟。立即 就医。 吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。呼吸困难时给输氧。 呼吸停止时,立即进行人工呼吸。就医。 空气中浓度超标时,必须佩戴防毒口罩,戴化学安全防护眼睛,穿工作服, 必要时戴防护手套, 紧急事态抢救或逃生时建议佩带自给式呼吸器,工作现场禁 止吸烟,进食和引水,工作后淋浴更衣。保持良好的工作习惯。

甲硅烷(SIH4)
1、特性 无色气体,有恶臭。易溶于苯,四氯化碳。 2、危险性 遇明火、高热极易燃烧,暴露在空气能自燃。与氟、氯等能发生剧烈的化 学反应。吸入甲烷蒸气后,引起头痛、头晕、发热、恶心、多汗,严重者面色苍 白,脉搏微弱,陷入半昏迷状态。 3、灭火方法 切断气源,若立即不能切断气源,则不允许熄灭正在燃烧的气体,喷水冷 却容器,可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂用二氧化碳。禁止用卤代烷 灭火剂。 4、操作处置与存储 穿戴一般防护用品。确保钢瓶、设备及管路严密不泄漏。工作间为甲类防 火防暴单元, 电气设施为防暴型, 严禁火种入内, 禁用易产生火花的机械及工具、 通风良好、 保持干燥。 遵守气瓶安全检查规程有关规定。 存储于阴凉通风仓间内, 远离火种、热源,钢瓶温度不大于 52℃,防止阳光直射,保持容器密封,应与 氧化剂分开存放。存储间内的照明/通风等设施应采用防暴型,开关设在仓外。 配备相应品种和数量的消防器材。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。禁止 撞击和震荡。搬运时轻装轻卸,防止钢瓶及部件破坏。 5、泄露应急处理 迅速撤离泄露污染区,人员至上风处,并隔离至气体散去,切断火源。建 议应急处理人员戴自给正压式呼吸器,穿一般消防护符,切断气源,喷洒雾状水 稀释、抽排(室内)或强力通风(室外) 。如有可能,将残余气或漏出气用排风 机送至水洗塔或与塔相连的通风橱内,漏气容器不能再用,且要经过技术处理, 以除去可能剩下的气体。 工程控制:生产过程密闭。全面通风。 吸入:脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。必要时进行人工呼吸。就 医。

呼吸系统防护:空气中浓度超标时,应佩带防毒口罩。必要时佩带自给式呼 吸器。 眼睛防护:一般不需特殊防护。高浓度接触时可戴安全防护眼镜。 手防护:一般不需特殊。 其它: 工作现场禁止吸烟。进入罐或其它高浓度区作业,必须有人监护。


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