CVD制程工艺及设备介绍

CVD制程工艺及设备介绍2014年05月10日李广录主要内容1.PECVD制程工艺介绍2.PECVD设备介绍PECVD制程工艺介绍1.TFT-LCD基本概念2.CVD工程目的及原理介绍3.PECVD设备及反应原理4.工艺参数及检查项目TFT-LCD基本概念ThinFilmTransistorLiquidCrystalDisplay薄膜晶体管液晶显示器ThinFilm：薄膜，膜厚在um(10-6m)级以下Transistor：电晶体，固态半导体元件，作为一种可变开关，基於输入的电压可控制输出的电流LiquidCrystal：液晶，不同轴向透光性不同，具有依照电场方向旋转排列功能ThinFilmTransistor：Controlthepixelsignalon/offLiquidCrystal：Controlthelightpolarization黑矩阵背光源ＴＦＴ-ＬＣＤ结构图偏光片CF公共电极液晶层象素电极扫描线信号线TFT玻璃偏光片TFT-LCD名词解释分辨率（DisplayResolution）：显示器上水平方向和垂直方向上相素（Pixel）的数目。注：一个相素有R、G、B三个子相素（Sub-Pixel）。对比度（ContrastRatio）：显示器最大亮度值（全白）与最小亮度值（全黑）之比值。一般TFT-LCD的对比值为200:1至400:1。视角（ViewingAngle）：在大角度观看的情况下，显示器亮暗对比变差会使画面失真，而在可接受的观测角度范围就称为视角。反应时间（ResponseTime）：从输入信号到输出影像所经历的时间，一般液晶显示器反应时间为20~30毫秒。（标准电影格式每画面为40毫秒）9TFT基本概念GSDSDGSDGGatelineDatalineClcCsa-Si工作层CVD工程在TFT流程中的作用（受入洗净）成膜前洗净PVD成膜（PhysicalVaporDeposition）光刻(Lithograph)湿蚀刻（WETEtch）干蚀刻（DryEtch）CVD成膜(ChemicalVaporDeposition)Resist剥离外观检查Pattern修正（断线修正）CVD工程在TFT流程中的作用Pixel模式图TFT模式图（平面)TFT模式图（断面)（PECVD）沉积Drain电极Gate电极像素电极a-SiG-SiNxPas-SiNxN+a-Sia-Si半导体膜Gate绝缘膜Passivation钝化膜TFT等效电路CsGate线(扫描线)G(栅极)Gate=G(栅电极或闸极)GateS(源电极)SourceClcData线(数据线)S(源电极)Source有源层a–Si层D(漏电极)DrainD(漏电极)Drain作用特性要求G-SiNx（栅极绝缘层）绝缘保护电介质系数高a-Si（通道层）电子沟道电子迁移率高N+a-Si（欧姆接触层）信号线性传输形成欧姆接触Pas-SiNx（绝缘保护层）绝缘保护抗化学腐蚀性好，抗潮湿CVD各层膜的用途及特性要求TFT断面图CVD工程在TFT流程中的作用Pas-SiNx层N+a-Si层a-Si层G-SiNx层CVD原理介绍CVD(ChemicalVaporDeposition)化学气相沉积借由气体混合物发生的化学反应，包括利用热能、等离子体(Plasma)或紫外光（UV）照射等方式，在基板(Substrate)表面上沉积一层固态化合物的过程。关键点•经由化学反应或热分解•薄膜的材料源由外加气体供给•制程反应物必须为气相的形式种类热CVD等离子CVDAP-CVD(AtmosphericPressureCVD)LP-CVD（LowPressureCVD）PE-CVD(PlasmaenhancedCVD)设备简图反应压力大气真空真空基板温度700~800℃700~800℃200~400℃使用产业ICICLCD，IC，Solar排气成膜气体ＲＦ电源真空腔室Plasma电极排气成膜气体基板加热器几种常见CVD比较PECVD反应原理Plasma的概念通常被视为物质除固态、液态、气态之外存在的第四种形态,它是一种中性、高能量、离子化的气体，由是大量的带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷的电量相等，故称等离子体（Plasma）。等离子体是宇宙中存在最广泛的一种物态，目前观测到的宇宙物质中,99%都是等离子体,但分布的范围很稀薄。注意点非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是带正负电荷的粒子（电子、离子），而不是其结合体。粒子与电场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电场（外场以及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的库仑力。Plasma产生原理在气压恒定的条件下，对气体增加能量(热能，电能等)，当气体中的温度足够高时，气体中的分子就会分解为原子气。进一步升高温度，原子就会分解为带电的自由离子(电子和正离子)，此时气体进入等离子体态。等离子体产生热电离气体放电射线辐照激光压缩电晕放电辉光放电电弧放电Plasma包含neutralgasatomsormoleculesionsfreeradicalsElectronsphotons人为产生等离子体的主要方法其中辉光放电(GlowDischarge）所产生的等离子体在薄膜材料的制备技术中得到了非常广泛的应用，Sputter和CVD设备采用的正是辉光放电来产生等离子体。等离子体（Plasma）形成中电子碰撞引发的过程类型分解(Dissociation)电离(Ionization)激发(Excitation)说明e+CCl4→e+Cl+CCl3e+Ar→2e+Ar+电子跃迁图例PECVD原理反应气体在高温和高频射频电源作用下形成等离子体（整体呈现电中性），等离子体中含有正离子、负离子，自由基以及活性基等，这些活性基团通过化学反应和吸附结合作用，形成固体化合物的过程。PECVD反应示意图气体原料排气基板加热离子化学反应激发与电子碰撞堆积表面反应脱离吸着再吸着分解二次生成物未反应气体析出等离子体（1）电子和反应气体发生碰撞，产生大量的活性基；（2）活性基被吸附在基板上，进行表面反应；（3）被吸附的原子在自身动能和基板温度的作用下，在基板表面迁移，选择能量最低的点堆积下来；（4）同时，基板上的原子不断脱离周围原子的束缚，进入等离子体气氛中参与化学反应，达到动态的平衡；（5）不断地补充原料气体，使原子沉积速率大于原子逃逸速率，薄膜持续生长；（6）二次生成物和未反应的气体会经排气口排出。PECVD反应过程PECVDProcessParameter•Gasflowrate(SiH4,NH3,H2,PH31%/H2,N2,Ar,NF3)•ChamberPressure…….(pumpingspeed,throttlevalveposition)•RFPower•Substratetemperature•ElectrodespacingPECVDFilmsforTFT•a-Si(SiH4,H2)SiH4+H2a-Si:H•N+a-Si(SiH4,H2,PH31%/H2)•SiH4+H2+PH3N+a-Si:H•SiNx(SiH4,NH3,N2)•SiH4+NH3+N2SiNx:H•Lowerprocesstemperature(300~450℃)forglasssubstrate–Plasmaassist–Lessglassdamage•Betterthicknessuniformityforlargeareadeposition–massproductionbylargeareasubstratesWhyPECVDforTFT?CVD工程使用的气体3-LayerPas-SiNxCleaningG-SiNxa-SiN+a-SiSiH4○○○○PH3(1%)/SiH4○NH3○○N2○○H2○○○Ar○NF3○◎气体的性质(物理和化学性质），纯度等需考虑膜质确认的目的•维持品质(如TFT特性)•确认装置的状态（如MFC/RF/真空计是否异常）膜质及影响膜质的参数影响膜质的工艺参数参数通常对膜质的影响备注基板温度膜的致密性，组份气体流量沉积速度气体流量比膜的折射率，组份RFPower沉积速度，组份沉积速度影响设备生产节拍Pressure沉积速度Pressure和Spacing对于膜厚分布影响较大Spacing沉积速度成膜时间膜厚工艺参数及检查项目3-Layer成膜工程频度项目目的3-Layer后斜光检查4Pcs/Lot①Mura②成膜区域③基板破损，划伤④异常放电①特性特性异常②成膜区域③防止后工程基板裂纹④特性异常外观检查1Lot/2daysParticle点缺陷和线缺陷N+Photo①AM图像检查②AP缺陷数趋势①Trouble时②趋势监控①Mura②Particle①特性异常②点缺陷，线缺陷Array检查趋势监控①Particle①特性异常①点缺陷，线缺陷②特性异常Pas成膜工程频度项目目的Pas后斜光检查4Pcs/Lot①Mura②成膜区域③基板破损，划伤④异常放电①特性异常②成膜区域③防止后工程基板裂纹④特性异常N+Photo①AM图像检查②AP缺陷数趋势①Trouble时②趋势监控①Mura②Particle①特性异常②点缺陷，线缺陷工艺参数及检查项目----工程管理25PECVD设备简介1.CVD设备主机台AKT25K/25KAX2.安全方面介绍MainframeStructureProcessChamberDDSLTransferChamberHeatChamberMainframeControlTowerGasPanelMainframeStructureDDSLTransferChamberProcessChamberItemDescriptionDDSLPumpsdownincomingsubstratesandcoolshotsubstratespriortosubstrateunloading.ProcesschamberPerformsprocesses(serialorparallel)onsinglesubstrateswithplasmaenhancedchemicalvapordeposition.HeatchamberBatchpreheatssubstratespriortoprocessing.Transferchamber(withvacuumrobot)Containsavacuumrobotthatmovessubstratesundervacuumbetweenchambers.GaspanelControlsprocessgasflowtoprocesschambers.MainframecontroltowerHousesthemainframepowerdistribution,DCpowersupplies,mainframeVMEcontroller,andheatchambertemperaturecontroller.MainframeStructure正面图PinInputPlatePinCoolingPlateDDSL全称为DoubleDualSlotLoadLock，也可以直接称之为loadlock。它是为进入的Substrate的降压和为已镀膜的Substrate降温。PressureSwitchGaugeActuatorAlignmentFixtureClampingMechanismSensorCDAOpenandCloseN2O-ring侧面图DDSL内玻璃位置调节功能DDSL的工作原理SubstrateLoad送片时，ATMRobot将玻璃放到DDSL的Inputplatepin上，这时coolingplate上升,Actuator将pinplate上的Alignment顶起，