第7章CVD工序全解

第七章CVD工序7.1CVD工序的目的7.2CVD工艺的基本原理7.3CVD的设备构成和主要性能指标7.4CVD工序的主要工艺参数和工艺质量评价7.5特种气体供应管理系统7.1CVD工序的目的7.1.1CVD目的在一定压强、温度条件下输入高频电压使气体源电离形成等离子体，在基板表面发生气相化学反应，生长出各种功能薄膜。A(g)+B(g)energyC(s)+副产物7.1.1.1CVDfilm介绍FilmGasG-SiNX（GH&GL）SiH4+NH3+H2a-Si（AH&AL）SiH4+H2n＋a-Si（NP）SiH4+PH3+H2P-SiNX（PV）SiH4+NH3+H27.1.1.2各层薄膜的功能1.G:GateSiNx（绝缘层）作用：防止M1与I层导通2.a-Si（半导体）作用：导通层，电子在该层产生3.N:N+a-Si（掺杂半导体）作用：降低界面电位差，降低I层与M2之间的电位差4.Passivation(保护层)作用：该层的作用是保护M2，防止其发生氧化，腐蚀7.1.1.3生成各层的化学反应原理（1）SiNX:HSiH4+NH3+N2→SiNX:H（2）a-Si:HSiH4+H2→a-Si:H（3）n＋a-Si:HSiH4+PH3+H2→n＋a-Si:H7.2CVD工艺的基本原理通过前一章节的学习，我们应该对CVD的功能有了一定的了解，其实自从CVD镀膜技术被发现至今，已经得到了很大的发展，已经衍生出许多不同类型的CVD成膜方式。按反应室内压力分：APCVD:AtmosphericpressureCVDSACVD:SubAtmosphericpressureCVDLPCVD:LowPressureCVDULPCVD:Ultra-lowpressureCVDUHV_CVD:Ultra-highvacuumCVD按能量供给方式分：热活化式：Thermally-activatedCVD等离子辅助式：PlasmaEnhancedCVD(PE-CVD)射频方式：（RadioFrequencyCVDRFCVD)微波方式：（MicrowaveCVD)电子回旋共振式：（ElectronCyclotronResonanceCVD)引控式（RemotePCVD)磁控式(MagneticPCVD)光辅助式：Photo-assistedCVD雷射辅助式：Laser-induceCVD下面将就PECVD系统构造、原理及特征等内容进行详细的说明，其他种类的CVD镀膜方式本节不做赘述：PECVD技术是上世纪70年代初发展起来的新工艺，主要是为了适应现代半导体工业的发展，制取优质介质膜。现代科技对半导体器件的可靠性和稳定性要求越来越高，为了防止器件制造过程中的表面玷污，必须进行表面钝化，用PECVD法制备的钝化膜的沉积实在低温下（200～400℃）进行的，钝化效果好，失效时间长，具有良好的热学和化学稳定性。80年代末随着TFT-LCD产业的兴起，PECVD技术在低温，大面积镀膜方向上具备其他CVD镀膜无可比拟的优势，进一步推进了平板显示业的发展，更新，基板尺寸更大的生产线被制造出来。平板显示产业也得以发生了革命性的变化。7.2.1等离子体增强型化学气相沉积系统（PECVD）为了适应低温、大面积镀膜的需求，PECVD技术被越来越多地应用于TFT-LCD制造领域中。PECVD的沉积原理与一般的CVD之间没有太大的差异，电浆中的反应物是化学活性较高的离子或自由基，而且基板表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高。这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率，因此在较低的温度下可沉积薄膜。PECVD乃是在真空中，导入反应气体而使用高频产生电浆与平行板电极之间，此时所产生的反应自由基将传达至基板表面，并产生表面反应而将其堆积成薄膜，所使用之原料气体为SiH4、PH3、NH3、H2等。通常基板是接地之阳极配置，在350℃温度以下可于大面积领域上，成长均匀的薄膜，而且可使用于大型薄板玻璃基板之非晶硅薄膜电晶体的制程，以便获得良好的整合性。在LCD领域应用最广泛的还是RF-PECVD系统。从1世代的in-line生产线、batch-type生产线到目前已投入运营的8世代Cluster生产线，以及正在研制的更高世代的生产线，PECVD设备制造也得到了长足的进步。图7.2.1展示的是in-line设备的机构示意图，及成膜室的基本构造。In-line设备是最早应用于tft-lcd制造的生产线类型，基板成膜时竖立在腔室内，膜内不易产生particle。生产节拍较长，随着基板尺寸的不断增加，in-line设备渐渐被其他类型的设备所取代。图7.2.1in-linetypePECVDsystem图7.2.2展示的是batchtype类型的PECVD结构示意图及成膜腔室的基本构造，采用这种设备的优点是可同时对多片基板进行镀膜，产量大，但从镀膜的均匀性上看不如单片式成膜设备。7.2.2BatchtypePECVDsystem图7.2.3展示的是cluster类型的生产线结构示意图及成膜腔室的基本结构，这种结构的PECVD系统，目前应用最广泛。5世代以上的lcd厂家几乎都采用这种结构的设备。这种设备的优点是采用单片成膜方式，各成膜腔室共用一个传输腔室，却又各自独立，当任意一个成膜腔室出现故障时，其他腔室不受影响。成膜质量较好，但膜内容易残留particle，镀膜达到一定数量后，需要应用RPSC（RemotePlasmaSourceClean）对腔室进行清洗，以实现降低particle的目的。图7.2.3ClustertypePECVDsystem7.2.2PECVD的原理及特征PECVD借助于气体辉光放电产生的低温等离子体，增强了反应物质的化学活性，促进了气体间的化学反应，从而低温下也能在基板上形成新的固体膜。其反应机理如图7.2.4所示图7.2.4化学气相沉积反应机理从图中可以看出，一般的CVD反应大致可分为以下几个步骤：(1)反应气体分子由主气流(MainStream)带至反应区域(基板)附近；(2)反应气体分子因浓度差而扩散并穿越边界层(BoundaryLayer)；(3)反应气体分子吸附(Absorption)在基板表面；(4)化学沉积反应发生-------沉积膜及副产物(By-Products)；(5)副产物及剩余气体吸解(Adsorption)离开基板表面，副产物及剩余气体穿越边界层,副产物及剩余气体进入主气流，并由真空系统抽离。图7.2.5是PECVD装置的示意图，将玻璃基板置于低气压辉光放电的电极上，然后通入适量气体，在一定的温度下，利用化学反应和离子轰击相结合的过程，在玻璃基板表面上获得相应的功能薄膜。可见，其中包括一般化学气相沉积技术，；又有辉光放电的强化作用。辉光放电是典型的自激放电现象。而这一种放电最主要的特征是从阴极到负辉区之前的一小段中场强很大，而在阴极暗区中，会发生比较强烈的气体电离。电离产生的气体离子发生阴极溅射，为沉积薄膜提供的清洁而活性高的表面。辉光放电的存在，使反应气氛得到活化，其中基本的活性粒子是离子和原子团，它们中电子-分子碰撞所产生，或通过固体表面离子、电子、光子的碰撞所产生。这些作用在提高膜层结合力、降低沉积温度、加快反应速度等方面都创造了有利的条件。等离子由向低压气体的射频场在放电区产生自由电子而形成。电子从电场获得足够能量，于是它们与气体分子碰撞，反应气体气相分离和离子化发生。这些分子将分解成多种成份：离子、原子以及活性基团（激发态）。高能物质(主要是原子团)在膜表面被吸收。(注意原子团具有高黏附系数，被吸收后容易沿表面迁移，这两个因素可以产生优异的膜一致性。)在衬底吸附，它们就受到离子和电子的轰击，重排，与其他被吸附物质反应，新键形成，膜长成，生长。被吸附的原子重排包括被吸附原子向稳定位置扩散，同时排斥反应产物。排斥速率取决于衬底温度。注意避免气相成核以减少粒子玷污。PECVD膜总的来说，不是理想配比，因为淀积反应广泛而复杂。而且，副产品和偶然产生的物质结合进膜。这些玷污的进入可能导致放气和伴生的气泡、裂缝或在以后的热循环中剥落，以及MOS电路中阈电压的漂移。等离子工艺需要控制和优化包括射频功率密度、频率和占空比。淀积工艺非常复杂，相互独立地依赖这些参数和寻常参数如气体组成、流速、温度和压力。与其他CVD成膜方式相比较，低温淀积是PECVD镀膜的一个突出的优点。一般工作在250℃~400℃范围内就可以实现薄膜沉积。PECVD不是仅仅热能启动和维持化学反应，而是用了射频辉光放电把能量传给反应气体，允许衬底温度低于普通CVD工艺的温度。事实上，衬底在以其它方式覆盖时可能热稳定不够(最重要的是在金属上形成氮化硅)，PECVD提供了一种在这种衬底上淀积膜的方法。另外，与单独的热反应相比，PECVD能提高淀积速率，制造有独特成分和特性的膜。但PECVD的缺点是容易会有微粒的污染，而且在薄膜中含有大量的氢原子。图7.2.5等离子体增强型化学气相沉积装置示意图TopumpSlitvalveShowerheadSubstrateMatchboxGasinRpsc13.56MHzRF(Depositiononly)AdjustablePinplatePLASMA7.3CVD的设备构成和主要性能指标7.3.1PECVD系统主要构成：1.卡匣自动装载站；2.主机；3.远程辅助系统4.尾气处理系统7.3.1.1卡匣自动装载站卡匣自动装载站主要用于生产制程卡匣的存放，处于无尘室与主机之间的交界地带。卡匣自动装载站中大气机械手臂从卡匣取出未生产制程的玻璃输送到装载卸载腔室中，从装载卸载腔室取出生产制程的玻璃传送到卡匣。7.3.1.2主机主机结构图主机结构图主要构成：○1装载卸载腔室：主要用来装载和卸载玻璃的，是大气状态和真空状态的缓冲区。注意在玻璃被卸载时要先使其冷却下来。○2工艺腔室：淀积成膜腔室。各个工艺腔室可以同时进行淀积。○3加热腔室：在淀积成膜前，提前在此腔室加热处理。○4传输腔室：真空状态下，真空机械手臂在此腔室之间传递玻璃。ProcessChamberProcessChamberHeatingChamberProcessChamberLoad/unloadLoad/unloadCassettestationTransferrobotTransferrobotProcessChamberProcessChamberHeatingChamberProcessChamberLoad/unloadLoad/unloadCassettestationTransferrobotTransferrobot○5气体面板：控制进入工艺腔室的气流量。○6主体电源控制塔：主体部分电力分配,直流电供用,主体设备信号控制,对腔室温度的控制。7.3.1.3.1工艺腔室主要组成部分及功能：○1RFMatch：主要用来消除容抗和感抗得到纯正的阻抗，其值大约为50欧姆。○2SlitValve：真空阀门，是控制工艺腔室与传输腔室之间的玻璃进出的阀门○3RPSIIPlasmaCleaning：主要用来清洗工艺腔室的，平均每淀积6或12片玻璃就要清洗一次腔室。○4ThrottleValvePressureController：压力控制阀（碟伐），主要作用是控制腔室内压力。○5Z-Drive：主要控制pin以及susceptor的升降。工作流程图：7.3.1.3.2卸载装载腔室主要组成部分及功能：○1LoadlockDoor：是ACLS与Loadlock之间的门。○2ACMotor：主要为底座的升降提供动力。○3LinearSlide：主要为基座升降的提供轨道。Homeposition/GlassInHi-Vac/ProcessPositionRFon/DepositionGasStable2(step1,2)PumpingoutPowerLiftNo1,2….HomePositionGlassoutGasStable1(H2)PositionRFon/Pretreatme