PECVD-的原理与分析

摘要：薄膜制备工艺在超大规模集成电路技术中有着非常广泛的应用，按照其成膜方法可分为两大类：物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积（CVD）。等离子增强型化学气相淀积（PECVD）是化学气相淀积的一种，其淀积温度低是它最突出的优点。PECVD淀积的薄膜具有优良的电学性能、良好的衬底附着性以及极佳的台阶覆盖性，正由于这些优点使其在超大规模集成电路、光电器件、MEMS等领域具有广泛的应用。本文简要介绍了PECVD工艺的种类、设备结构及其工艺原理，根据多年对设备维护的经验，介绍了等离子增强型化学气相淀积（PECVD）设备的基本结构，总结了这类设备的常见故障及解决措施。1PECVD的种类1.1射频增强等离子体化学气相淀积（RF-PECVD）等离子体化学气相淀积是在低压化学气相淀积的同时，利用辉光放电等离子对过程施加影响，在衬底上制备出多晶薄膜。这种方法是日本科尼卡公司在1994年提出的，其等离子体的产生方法多采用射频法，故称为RF-PECVD。其射频电场采用两种不同的耦合方式，即电感耦合和电容耦合[1]。1.2甚高频等离子体化学气相淀积（VHF-PECVD）采用RF-PECVD技术制备薄膜时，为了实现低温淀积，必须使用稀释的硅烷作为反应气体，因此淀积速度有限。VHF-PECVD技术由于VHF激发的等离子体比常规的射频产生的等离子体电子温度更低、密度更大[2]，因而能够大幅度提高薄膜的淀积速率，在实际应用中获得了更广泛的应用。1.3介质层阻挡放电增强化学气相淀积（DBD-PECVD）DBD-PECVD是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电（又称介质阻挡电晕放电或无声放电）。这种放电方式兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行特点，正逐渐用于制备硅薄膜中[3]。1.4微波电子回旋共振等离子体增强化学气相淀积（MWECR-PECVD）MWECR-PECVD是利用电子在微波和磁场中的回旋共振效应，在真空条件下形成高活性和高密度的等离子体进行气相化学反应。在低温下形成优质薄膜的技术。这种方法的等离子体是由电磁波激发而产生，其常用频率为2450MHz，通过改变电磁波光子能量可直接改变使气体分解成粒子的能量和生存寿命，从而对薄膜的生成和膜表面的处理机制产生重大影响，并从根本上决定生成膜的结构、特性和稳定性[4]。2PECVD设备的基本结构2.1PECVD工艺的基本原理PECVD技术是在低气压下，利用低温等离子体在工艺腔体的阴极上（即样品放置的托盘）产生辉光放电，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的工艺气体，这些气体经一系列化学反应和等离子体反应，最终在样品表面形成固态薄膜。其工艺原理示意图如图1所示。在反应过程中，反应气体从进气口进入炉腔，逐渐扩散至样品表面，在射频源激发的电场作用下，反应气体分解成电子、离子和活性基团等。这些分解物发生化学反应，生成形成膜的初始成分和副反应物，这些生成物以化学键的形式吸附到样品表面，生成固态膜的晶核，晶核逐渐生长成岛状物，岛状物继续生长成连续的薄膜。在薄膜生长过程中，各种副产物从膜的表面逐渐脱离，在真空泵的作用下从出口排出。2.2PECVD设备的基本结构PECVD设备主要由真空和压力控制系统、淀积系统、气体及流量控制、系统安全保护系统、计算机控制等部分组成。其设备结构框图如图2所示。2.2.1真空和压力控制系统真空和压力控制系统包括机械泵、分子泵、粗抽阀、前级阀、闸板阀、真空计等。为了减少氮气、氧气以及水蒸气对淀积工艺的影响，真空系统一般采用干泵和分子泵进行抽气，干泵用于抽低真空，与常用的机械油泵相比，可以避免油泵中的油气进入真空室污染基片。在干泵抽到一定压力以下后，打开闸板阀，用分子泵抽高真空。分子泵的特点是抽本体真空能力强，尤其是除水蒸汽的能力非常强。2.2.2淀积系统淀积系统由射频电源、水冷系统、基片加热装置等组成。它是PECVD的核心部分。射频电源的作用是使反应气体离子化。水冷系统主要为PECVD系统的机械泵、罗茨泵、干泵、分子泵等提供冷却，当水温超过泵体要求的温度时，它会发出报警信号。冷却水的管路采用塑料管等绝缘材料，不可用金属管。基片加热装置的作用使样品升温到工艺要求温度，除掉样品上的水蒸气等杂质，以提高薄膜与样品的附着力。2.2.3气体及流量控制系统PECVD系统的气源几乎都是由气体钢瓶供气，这些钢瓶被放置在有许多安全保护装置的气柜中，通过气柜上的控制面板、管道输送到PECVD的工艺腔体中。在淀积时，反应气体的多少会影响淀积的速率及其均匀性等，因此需要严格控制气体流量，通常采用质量流量计来实现精确控制。3常见问题及影响工艺主要因素3.1设备常见问题及处理措施3.1.1无法起辉无法起辉原因和处理措施：（1）射频电源故障，检查射频源电源功率输出是否正常。（2）反应气体进气量小，检查气体流量计是否正常，若正常，则加大进气量进行试验。（3）腔体极板清洁度不够，用万用表测量腔体上下极板的对地电阻，正常值应在数十兆欧以上，若异常，则清洁腔体极板。（4）射频匹配电路故障，检查射频源反射功率是否在正常值范围内，若异常，则检查匹配电路中的电容和电感是否损坏。（5）真空度太差，检查腔体真空度是否正常。3.1.2辉光不稳（1）电源电流不稳，测量电源供电是否稳定。（2）真空室压力不稳定，检查腔体真空系统漏率是否正常，检查腔体进气量是否正常。（3）电缆故障，检查电缆接触是否良好。更多防水请访问纳米防水网3.1.3成膜质量差（1）样片表面清洁度差，检查样品表面是否清洁。（2）工艺腔体清洁度差，清洗工艺腔体。（3）样品温度异常，检查温控系统是否正常，校准测温热电偶。（4）膜淀积过程中压力异常，检查腔体真空系统漏率。（5）射频功率设置不合理，检查射频电源，调整设置功率。3.1.4淀积速率低更多防水请访问纳米防水网（1）射频输入功率不合适，调整射频功率。（2）样品温度异常，检查冷却水流量及温度是否正常。（3）真空腔体压力低，调整工艺气体流量。3.1.5反应腔体压力不稳定（1）检查设备真空系统的波纹管是否有裂纹。（2）检查气体流量计是否正常。（3）手动检查蝶阀开关是否正常。（4）真空泵异常，用真空计测量真空泵的抽速是否正常。3.2影响工艺的因素影响PECVD工艺质量的因素主要有以下几个方面：3.2.1极板间距和反应室尺寸PECVD腔体极板间距的选择要考虑两个因素：（1）起辉电压：间距的选择应使起辉电压尽量低，以降低等离子电位，减少对衬底的损伤。更多防水请访问纳米防水网（2）极板间距和腔体气压：极板间距较大时，对衬底的损伤较小，但间距不宜过大，否则会加重电场的边缘效应，影响淀积的均匀性。反应腔体的尺寸可以增加生产率，但是也会对厚度的均匀性产生影响。3.2.2射频电源的工作频率射频PECVD通常采用50kHz~13.56MHz频段射频电源，频率高，等离子体中离子的轰击作用强，淀积的薄膜更加致密，但对衬底的损伤也比较大。高频淀积的薄膜，其均匀性明显好于低频，这时因为当射频电源频率较低时，靠近极板边缘的电场较弱，其淀积速度会低于极板中心区域，而频率高时则边缘和中心区域的差别会变小。3.2.3射频功率射频的功率越大离子的轰击能量就越大，有利于淀积膜质量的改善。因为功率的增加会增强气体中自由基的浓度，使淀积速率随功率直线上升，当功率增加到一定程度，反应气体完全电离，自由基达到饱和，淀积速率则趋于稳定。3.2.4气压形成等离子体时，气体压力过大，单位内的反应气体增加，因此速率增大，但同时气压过高，平均自由程减少，不利于淀积膜对台阶的覆盖。气压太低会影响薄膜的淀积机理，导致薄膜的致密度下降，容易形成针状态缺陷；气压过高时，等离子体的聚合反应明显增强，导致生长网络规则度下降，缺陷也会增加。3.2.5衬底温度衬底温度对薄膜质量的影响主要在于局域态密度、电子迁移率以及膜的光学性能，衬底温度的提高有利于薄膜表面悬挂键的补偿，使薄膜的缺陷密度下降。衬底温度对淀积速率的影响小，但对薄膜的质量影响很大。温度越高，淀积膜的致密性越大，高温增强了表面反应，改善了膜的成分。4结束语以上是对PECVD设备遇到问题的一些体会，PECVD工艺是一门复杂的工艺，要保证淀积薄膜的质量，除了要保证设备的稳定性外，还必须掌握和精通其工艺原理及影响薄膜质量的各种因素，以便在出现故障时，能迅速分析出导致故障的原因。另外，对设备的日常维护和保养也非常重要。参考文献：[1]陈建国，程宇航，吴一平，等.射频-直流等离子体增强化学气相淀积设备的研制[J].真空与低温，1998，4(1)：30-34.[2]H.Nakaya，M.Nishida，YTakeda，etal.PolycrystallineSiliconSolarCells[Z].1192，345-356.[3]陈萌炯.RF-PECVD和DBD-PECVD制备a-Si：H薄膜的性能研究及其比较[D].浙江：浙江大学，2006.[4]刘国汉，丁毅，朱秀红，等.HW-MWECR-CVD法制备氢化微晶硅薄膜及其微结构研究[J].物理学报，2002，55(11)：6147-6150.