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PECVD培训材料(NEW)


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PECVD培训教程 培训教程
东莞南玻光伏科技有限公司 技术部:冯立伟

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培训内容

PECVD原理与工艺介绍 原理与工艺介绍

PECVD工序操作培训 工序操作培训

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1 PECVD原理与工艺介绍 原理与工艺介绍 主要内容: 主要内容: 1.等离子体初步介绍 2.PECVD的原理、类型 3.PECVD工序介绍 4.工艺参数控制
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1.1 等离子体概述
等离子态是物质的第四种状态,它是气体,其原子失去电子形成自由电 等离子态是物质的第四种状态 子和正离子,两者的量相等因此叫做等离子态 两者的量相等因此叫做等离子态,它可导电而且受电磁场影 两者的量相等因此叫做等离子态 响,是非束缚态宏观体系。 宇宙中约99% 的物质都是处在等离子体状态,闪电、北极光、宇宙射线 等等。太阳本身也是个等离子体的大火球。 产生等离子体有多种方式:电击穿、射频放电、微波激发、冲击波、高 能粒子流、高温加热等。

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1.1.1 物质的几种状态

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1.1.2 等离子体分类

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1.2 等离子体的应用
低温等离子体应用
冷等离子体应用
?等离子体的化学过程:刻蚀、化学气相沉积。 ?材料处理:表面改性、表面冶金。 ?光源:冷光源(节能)、显示。

热等离子体应用
?高温加热:冶金、焊接、切割。 ?材料合成、加工、陶瓷烧结、喷涂、三废处理。 ?光源:强光源。

军事上和高技术上的应用 空间和天体等离子体
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1.3 辉光放电过程
术语“辉光放电”是指发光由等离子体产生,高能态电子返 “辉光放电” 回基态时以可见光辐射的形式释放能量。 等离子体能代替高温,裂解分子并发生化学反应,也可用于 产生和加速离子。在辉光放电过程中可能出现以下过程: 裂解: e*+AB= e*+AB=A+B+e 原子离子化:e*+ 原子离子化:e*+A=A++e+e 分子离子化:e*+AB= 分子离子化:e*+AB=AB++e+e 原子激发: e*+A=A*+e e*+ A*+ 分子激发: e*+AB=AB*+e e*+AB=AB*+ 上标“* 上标“*”表示能量远远大于基态的粒子。
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1.4 几种简单的等离子反应室
腔室 气体 入口 L
+ -

高压电源

直流电源

直流等离子体反应室


高压电弧电离产生大量的正离子和自由电子。 正离子打在在阴极上,并从阴极材料释放出大量的二次电子。 二次电子与中性原子非弹性碰撞产生出更多的离子,维持了等离 子体,并伴随光辐射-辉光放电。
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1.4.1 射频放电等离子体反应室
在许多情况下,一个或多个电极上的材料是绝缘的,如硅靶、电极上 的硅片。当离子轰击硅片表面时,发射二次电子,使这些层充满电荷。电 荷积聚在表面,使电场减少,直到等离子体最终消失。为了解决这个问题, 等离子体可以用交流信号来驱动,电源在射频范围内,一般为13.56MHz。

射频电源

调谐网络 + -

射频等离子体示意图

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1.4.2 高密度等离子体
在一个简单的电容性放电等离子体中,离子和基团的比例很小。很 多年来,这种系统一般运行在13.56MHz下,后来各种技术逐渐被开 发用来产生高浓度等离子体: 电感耦合等离子体:13.56 MHz 磁控等离子体:13.56 MHz 电子回旋共振等离子体:1GHz以上等离子频率-微波

以上通常称为高密度等离子体(HDP)

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1.4.3 高密度等离子体


BIN

电极
微波 电源

简单的磁束缚等离子体 中,电子被洛伦磁力束 缚在阴极暗区,碰撞电 离几率大大增强

波导 电子回旋ECR等离子系统,需要大功率 微波信号,耦合入反应室,能量由波导 传递,一般微波频率为2.45GHz。

微波 线圈

Bin e-

e-

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2 PECVD的原理、类型 的原理、 的原理

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2.1 镀减反射膜的工艺
PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 1.LPCVD、APCVD、PECVD 2.CVD 3.PVD
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2.2 PECVD原理介绍 原理介绍
在真空下,加在电极板上的射频(低频、微波等)电场,使反应室气 体发生辉光放电,在辉光发电区域产生大量的电子,通常结合磁场形成 高密度等离子体。 这些电子在电场的作用下获得充足的能量,其本身温度很高,它与气 体分子相碰撞,使气体分子活化。 活化的气体分子吸附在衬底上,并发生化学反应生成介质膜,副产物 从衬底上解析,随主气流由真空泵抽走。 PECVD技术可用于制作器件的钝化膜、增透膜,还可以用于制作光电 器件扩散工艺的阻挡层,Solar Cell的减反膜。
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2.2 PECVD原理介绍 原理介绍
PECVD允许衬底在较低温度(一般300~450℃)下生长介质薄膜。在许多 应用中,需要在非常低的衬底温度下淀积薄膜。在铝上淀积SiO2和在 GaAs上淀积Si3N4保护层是两个常见的实例。 与热反应相比(一般800~1000℃ ),它有以下优点:能淀积速率高; 容易获得比较均匀的组分;通过改变气流比可以使薄膜组分连续变化(如 可以容易控制Solar Cell ARC的Si:N,可以使薄膜组分由氧化物连续变化 到氮化物)。

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主要化学反应: 主要化学反应:
分解反应: 分解反应: ex: SiH4(g) + e Si(s) + 2H2(g) + e 还原反应: 还原反应: ex: SiCl4(g) + 2H2(g) + e Si(s) + 4HCl (g) + e 复合反应: 复合反应: ex: 3SiH4(g) + 4NH3(g) + e Si3N4(s) + 12H2 + e

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2.3 PECVD的分类 的分类
1.等离子体接触类型:Direct等离子体和Remote 等离子体 2.等离子激发频率:低频、射频、微波 3.反应室:管式与平板式 4.传输类型:batch方式和inline方式

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2.3.1 Direct等离子体 等离子体PECVD 等离子体
等离子体产生于两平行电极之间,同时晶圆被固定在一个电极上, 晶圆作为电极的一部分。典型代表:Centrotherm,岛津。

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岛津PECVD是直接等离子体 是直接等离子体 岛津
Electrode

Heater

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2.3.2 Remote等离子体 等离子体PECVD 等离子体
晶圆不作为电极的一部分。 典型代表:Roth & Rau。

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2.3.3 按激发频率分类
Plasma

直流 0 Hz

低频 50 Hz

RF 13.5 MHz

微波 2.45 GHz 间接等离子体 2-10 eV

一般是直接等离子体 离子能量 0-400 eV

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PECVD工序介绍 3 PECVD工序介绍

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3.1 太阳能电池片生产工艺流程
一次清洗 扩散 等离子刻蚀 等离子刻蚀

印刷电极 印刷电

PECVD

二次清洗

烧结

分选测试

检验入 检验入库

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3. 2 光的基本理论
光的波动性、 光的波动性、粒子性 光的传输:直线传输、反射、透射、干涉、 光的传输:直线传输、反射、透射、干涉、衍射 光程d、光程差 光程 、光程差n*d 光的叠加:相长干涉、 光的叠加:相长干涉、相消干涉

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3.3减反射原理 减反射原理
一次反射R1 二次反射R2

目的: 目的:

n0 n1 ns N-Si SiN

通过调整薄膜厚度及 折射率,使得两次反 射产生相消干涉,即 光程差为1/2波长 波长,薄 波长 膜的厚度应该是1/4波 波 长的光程。

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3. 4减反射工艺操作流程 减反射工艺操作流程

传递窗 印刷

测试

卸片

装片

传递窗

PECVD
净化存储柜 载板柜

测试

卸片

出料

镀膜

进料

装片

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3.5 ARC厚度和折射率的设计 厚度和折射率的设计
ARC厚度:

对于太阳能电池, 最小反射应该在580 -600nm位置。

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3.5.1 ARC厚度和折射率的理论设计 厚度和折射率的理论设计
对于n0﹤n1 ﹤ns,最终的反射率为:
当上式分子为0,即n0ns=n12时,反射最小。 对于电池片,n0=1,ns=3.42,则n1=1.86。 对于组件, n0=1.46, ns=3.42,则n1=2.23。 这只是理论上的数值,而实际上还要考虑减反膜的吸收,表面钝 化,体钝化等多方面的因素,在这些变化中找到最佳的平衡值, 一般是n=2.0-2.2,d=70-80nm。

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3.5.2 热生长氮化硅颜色图,n=1.97 热生长氮化硅颜色图, =
颜色 银色 褐色 黄褐 红色 深蓝 蓝 浅蓝 极浅蓝 银色 浅黄 厚度( ) 厚度(nm) 20 20-40 40-55 55-73 73-77 - 77-93 93-100 100-110 110-120 120-130 颜色 黄 橘红 红色 暗红 蓝 蓝绿 浅绿 橘黄 红 厚度( ) 厚度(nm) 130-150 150-180 180-190 190-210 210-230 230-250 250-280 280-300 300-330
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3.5.3 ARC的吸收损失 的吸收损失
电池吸收光波长范围:300-1150nm,所以要求SiNx:H 禁带宽度要大于4eV。 透射率公式:T(λ)=1-R(λ)-A(λ), R(λ)为反射率和A(λ)为吸收率。 SiNx:H的折射率1.9时,带宽5.3eV,当提高薄膜中Si含量, 折射率提高,带宽降低,吸收也越多,最小带宽1.8eV。

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3.6 ARC的表面钝化作用 的表面钝化作用
晶圆表面存在很多的表面态、晶界、缺陷。 在PECVD沉积过程中,大量的H原子(离子)进 入硅表面,饱和了大量的悬挂键,降低了复合中心 的作用,提高短波响应与短路电流。

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3.7 ARC的体钝化作用 的体钝化作用
体钝化和后续的金属化烧结工艺是分不开的。 由于热退火,大量H原子从表面扩散到体硅材料内部。 特别对于多晶硅,材料内部存在大量晶界(面缺陷), H原子可以饱和晶界位置的悬挂键,降低复合中心的作用, 提高短路电流。

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3.7.1 FTIR测量 含量,钝化效果的评估(R&R资料) 测量H含量 资料) 测量 含量,钝化效果的评估( 资料

从上表看出:烧结前后,N-H降低约30%;Si-H提高约20%,总H含量降低 约10%。说明了20%的H进入材料内部,起体钝化作用。
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3.7.2 烧结前后的 烧结前后的IQE比较(Roth&Rau资料) 比较( 资料) 比较 资料

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3.8 镀膜后检验
外观检验:
碎片、裂纹、崩边、颜色不均、色差等 目视、放大镜 椭偏仪 少子寿命测试仪 分光光度计

减反层测试:
折射率、薄膜厚度80nm±5%

电性能测试:
少子寿命

光学测量(可能的话):
反射率光谱

量子效应(研发方面):

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3.9镀膜工艺辅材 镀膜工艺辅材
特种气体: 特种气体: 硅烷SiH4、氨气NH3、氮气 、氨气 硅烷 、氮气N2

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3.10尾气处理 3.10尾气处理
尾气中含有SiH4,低浓度时在空气中氧化生成SiO2粉末;在 1% 以上浓度时有自然燃烧的危险性,稀释的H也有可燃性, 最佳对策是用氮气稀释到燃烧浓度以下在放出。 另一作法是充入足够的空气,使之自然燃烧。但須注意空气 对流量必须充分。且排气仍具有毒性,故气体配管要具有耐 腐蚀性、不燃性、不漏性,以不锈钢管最适用。

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4 工艺参数控制
沉积温度 沉积压强 气体流量、比例 微波功率:最大功率,ton,toff 传输速度

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4.1沉积温度 沉积温度
有3个加热器,温度范围为:300-400℃。典型的温度 设置在350 ℃。

3种沉积温度下,内量子效应的对比

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4.2沉积压强 沉积压强
压力主要影响等离子体区域的半径和反应气体的停滞时间, 结果影响了SiNx:H的组分和钝化特性。一般在0.05mbar- 0.3mbar,典型值0.1mbar 。
不同沉积压强下, 烧结前后的内量子 效应对比。

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4.3气体流量 气体流量
气体的总流量影响了薄膜沉积速率,流量比影响了折 射率、钝化效果。典型流量比NH3/SiH4=1.5-3。

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4.4微波功率 微波功率
微波功率影响:等离子体的分布和沉积速率

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4.5微波功率的脉冲频率:ton,toff 微波功率的脉冲频率: 微波功率的脉冲频率

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4.6不同微波功率和 on、toff的等离子分布和沉积速率 不同微波功率和t 不同微波功率和

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4.7传输速率 传输速率
载板的传输速率影响了薄膜沉积速率和均匀性。 载板的传输速率影响了薄膜沉积速率和均匀性。典型 范围是70- 范围是 -100cm/min,典型值 ,典型值80cm/min。 。

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4.8工艺参数的总结 工艺参数的总结
压强:较高压强-较低的沉积速率。 压强-折射率、钝化效果。 温度:较高温度-稍微降低沉积速率。 高温-降低少子寿命,粒子产生。 气流量:较高气流量-较高的沉积速率。 气体比例:较高SiH4比例-提高反射率、吸收增大。 微波功率:较高的P-mean-稍微提高沉积速率。 P-peak-调整等离子体分布长度 。 沉积不均匀-调整左/右微波功率。
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PECVD工序操作培训 工序操作培训 主要内容 1.作业前准备工作 2.工作流程 3.自检过程 4.异常处理 5.注意事项

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1 作业前准备工作
工具、仪器: 工具、仪器: 确认镀膜设备、真空吸笔、载板,工作台完好、到位。 劳保用品: 劳保用品: 穿戴好净化分体服、一次性手套、一次性口罩、帽子、净 化鞋。 外围条件: 外围条件: 确认设备控制柜的电源指示灯“亮”,通电正常。 确认冷却水流量、水压是否正常。 确认环境温度、湿度。

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2.1开启工艺流程 开启工艺流程
开机: 开机: 打开设备电源,再打开PC机,单击桌面的SINA图标,运 行SINA软件。 设备确认: 设备确认: 检查设备和PC上是否有故障显示(红色灯或/红色点)。 确认设备运行正常方可执行后续作业。 若设备有故障显示,应立即汇报班长。 Recipe工艺配方确认: 工艺配方确认: 工艺配方确认 进入“工艺腔室” “工艺配方”,检查各工艺参数是 否正确。若设置有误,工序长应立即报告值班工程师,重 新设置好参数后方可执行后续作业。

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2.1开启工艺流程 开启工艺流程
选择工艺 在process里点击“控制”按钮,然后在下拉菜单里选择设 定的工艺。 启动工艺 点“加载”按钮,加载工艺,之后点击“启动”按钮,启 动工艺。 启动传输 点击下面“传输”里面的“启动”,启动传送带系统。 空运行载板 硅烷和氨气通入工艺腔,工艺压强稳定并产生等离子体后, 把载板放入设备中空运行两次,以消除载板上附着的水分 和空气杂质。 注意:以上作业由工序长执行! 注意:以上作业由工序长执行!
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2.2生产操作流程 生产操作流程
硅片准备 1.双手拿起硅片盒,轻放于净化 存储柜里面,硅片盒开口面朝上; 同时目视检查硅片是否有破片、 崩边、缺角、外观不良等缺陷, 如果有上述缺陷,则把整盒硅片 退回上工序。 2.双手拿起存储柜里面的硅片盒, 并轻放与工作台上。要求片盒大 大面 面(附图)朝下,小面朝上, 即硅片P型面向上,N型面向下。

小面

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2.2生产操作流程 生产操作流程
装片 两操作人员分别站于上 料台两边,用真空吸笔 把硅片依次放入位于上 料台的载板里,硅片用 型面朝下、 挂钩挂住,N型面朝下、 型面朝下 P型面向上 型面向上。 型面向上

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2.2生产操作流程 生产操作流程 进板 按传送带控制器上 的“进板请求”按 钮,把装满硅片的 载板送入设备。

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2.2生产操作流程 生产操作流程
卸片 1.两操作人员分别站于下料台 两边,待载板从设备出来、 停止在下料台上后,用真 空吸笔把镀好膜的硅片吸 出,并轻放入塑料承载盒。 2.把所有硅片卸下之后,操作 人员戴好防护手套,把空 载板小心搬运并放置于上 料工作台上。

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2.3关闭设备流程 关闭设备流程
关机 确定工艺腔内没有载板方可关机,否则禁止进行关机操作。 在control中,先点击transport stop,再点击工艺参数的stop。 关闭加热器。 关闭所有泵。 点击主界面中service中的switch off关闭程序。 关闭电脑。 待排风扇完全停止后(约2小时),即可关闭电源。 注:该作业由组长执行!

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3.1自检 自检
颜色检验: 颜色检验: 每石墨框随机目视检查2-4片,要求硅片颜色为深蓝色,没 有出现明显的色斑、水斑、不均匀、色差。 破片检验: 破片检验: 检查是否有硅片裂片、明显裂纹、崩边、缺角。 膜厚、折射率测量: 膜厚、折射率测量: 每隔1小时,在石墨框的左、中、右位置随机抽取5片硅片测 试膜厚和折射率。要求单晶硅片膜厚为76±5nm,折射率 2.1±0.1;多晶硅片膜厚82±4nm,折射率2.1±0.1。 每次测量的数据需记录在《膜厚和折射率记录表》内。
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3.2SPC控制 控制
膜厚、折射率 膜厚、折射率SPC控制 控制 根据膜厚和折射率分别做SPC控制图,具体方法: 1.每小时测试5片硅片的膜厚和折射率平均值作为 一组记录数据(返工范围内异常数据需剔除)。 2.每次计算出总平均值和极差平均值作为制定下次 SPC管制图界限的依据。 若SPC曲线异常,则立即通知值班工程师。

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3.3膜厚控制 膜厚控制
镀膜厚度控制办法 若厚度小于75nm,降低带速(1-3cm/min);若厚 度大于78nm,则提高带速(1-3cm/min),使镀膜 厚度控制在76±5nm。每次修改带速后,必须抽测 76 5nm 硅片厚度。 工艺点检周期为:1次/小时,工艺参数记录在 《PECVD工艺点检表》。

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4 异常情况及其处理
质量异常及其处理 过程异常及其处理

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4.1质量异常情况 质量异常情况
膜厚、 膜厚、折射率异常情况 1.厚度大于85nm或者小于65nm。 2.折射率大于2.25或者小于1.95。 过程异常 1.过程出现故障,导致硅片上吸附很多碎屑。 2.过程出现故障,导致硅片镀膜严重不均匀。

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4.1.1质量异常情况处理 质量异常情况处理
异常情况处理 膜厚、折射率异常情况需要进行返工流程: 用HF酸腐蚀硅片表面的氮化硅膜。HF酸浓度: 5%≤HF%(质量分数)≤10%,腐蚀时间: 5min≤t≤10min。 具体操作为:返回二次清洗,按二次清洗正常的清 洗工艺操作。 注意:返工片一定要在二次清洗换液前进行清洗。

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4.2过程异常及其处理 过程异常及其处理
1.设备出现故障信号(红灯显示),立即报告班长和值班工程 师。 2.传输过程出现故障,必须停止工艺,立即报告班长和值班工 程师。 3.设备出现异常,如破片率高,立即报告班长和值班工程师。 4.镀膜后连续两个载板内硅片出现膜厚不均匀、表面色差严重, 立即报告班长和值班工程师。 5.若发现气体泄漏,发现者立即按下设备上的急停按扭,并通 知现场作业人员通过安全通道迅速撤离现场后及时报告班 长和部门领导。

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5 注意事项 1. 非PECVD生产、工艺和维护人员不得对设 备进行操作、拆卸和改装。 2. 搬运载板时应戴防护手套。 3. 设备运行时禁止把手伸入马达中。 4. 设备运行时禁止接触电控柜中的元器件。 5. 设备运行时禁止接触氨气和硅烷的管道。

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