PECVD的原理與故障分析

曹健

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051)

PECVD的原理與故障分析

曹健

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051)

介紹了PECVD工藝的種類、工藝原理以及設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)；根據(jù)多年對(duì)設(shè)備的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，分析了PECVD設(shè)備的常見原因，提出了處理措施；最后，分析總結(jié)了影響PECVD工藝質(zhì)量的主要因素。

化學(xué)氣相淀積；等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積；故障分析；工藝維護(hù)

薄膜制備工藝在超大規(guī)模集成電路技術(shù)中有著非常廣泛的應(yīng)用，按照其成膜方法可分為兩大類：物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積（CVD）。等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積（PECVD）是化學(xué)氣相淀積的一種，其淀積溫度低是它最突出的優(yōu)點(diǎn)。PECVD淀積的薄膜具有優(yōu)良的電學(xué)性能、良好的襯底附著性以及極佳的臺(tái)階覆蓋性，正由于這些優(yōu)點(diǎn)使其在超大規(guī)模集成電路、光電器件、MEMS等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文簡要介紹了PECVD工藝的種類、設(shè)備結(jié)構(gòu)及其工藝原理，根據(jù)多年對(duì)設(shè)備維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，介紹了等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積（PECVD）設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，總結(jié)了這類設(shè)備的常見故障及解決措施。

1 PECVD的種類

1.1 射頻增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相淀積（RF-PECVD）

等離子體化學(xué)氣相淀積是在低壓化學(xué)氣相淀積的同時(shí)，利用輝光放電等離子對(duì)過程施加影響，在襯底上制備出多晶薄膜。這種方法是日本科尼卡公司在1994年提出的，其等離子體的產(chǎn)生方法多采用射頻法，故稱為RF-PECVD。其射頻電場(chǎng)采用兩種不同的耦合方式，即電感耦合和電容耦合[1]。

1.2 甚高頻等離子體化學(xué)氣相淀積（VHF-PECVD）

采用RF-PECVD技術(shù)制備薄膜時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)低溫淀積，必須使用稀釋的硅烷作為反應(yīng)氣體，因此淀積速度有限。VHF-PECVD技術(shù)由于VHF激發(fā)的等離子體比常規(guī)的射頻產(chǎn)生的等離子體電子溫度更低、密度更大[2]，因而能夠大幅度提高薄膜的淀積速率，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了更廣泛的應(yīng)用。

1.3 介質(zhì)層阻擋放電增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（DBD-PECVD）

DBD-PECVD是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電（又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無聲放電）。這種放電方式兼有輝光放電的大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運(yùn)行特點(diǎn)，正逐漸用于制備硅薄膜中[3]。

1.4 微波電子回旋共振等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（MWECR-PECVD）

MWECR-PECVD是利用電子在微波和磁場(chǎng)中的回旋共振效應(yīng)，在真空條件下形成高活性和高密度的等離子體進(jìn)行氣相化學(xué)反應(yīng)。在低溫下形成優(yōu)質(zhì)薄膜的技術(shù)。這種方法的等離子體是由電磁波激發(fā)而產(chǎn)生，其常用頻率為2 450 MHz，通過改變電磁波光子能量可直接改變使氣體分解成粒子的能量和生存壽命，從而對(duì)薄膜的生成和膜表面的處理機(jī)制產(chǎn)生重大影響，并從根本上決定生成膜的結(jié)構(gòu)、特性和穩(wěn)定性[4]。

2 PECVD設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)

2.1 PECVD工藝的基本原理

PECVD技術(shù)是在低氣壓下，利用低溫等離子體在工藝腔體的陰極上（即樣品放置的托盤）產(chǎn)生輝光放電，利用輝光放電（或另加發(fā)熱體）使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的工藝氣體，這些氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，最終在樣品表面形成固態(tài)薄膜。其工藝原理示意圖如圖1所示。

圖1 PECVD工藝原理

在反應(yīng)過程中，反應(yīng)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入爐腔，逐漸擴(kuò)散至樣品表面，在射頻源激發(fā)的電場(chǎng)作用下，反應(yīng)氣體分解成電子、離子和活性基團(tuán)等。這些分解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成形成膜的初始成分和副反應(yīng)物，這些生成物以化學(xué)鍵的形式吸附到樣品表面，生成固態(tài)膜的晶核，晶核逐漸生長成島狀物，島狀物繼續(xù)生長成連續(xù)的薄膜。在薄膜生長過程中，各種副產(chǎn)物從膜的表面逐漸脫離，在真空泵的作用下從出口排出。

2.2 PECVD設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)

PECVD設(shè)備主要由真空和壓力控制系統(tǒng)、淀積系統(tǒng)、氣體及流量控制、系統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制等部分組成。其設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 真空和壓力控制系統(tǒng)

真空和壓力控制系統(tǒng)包括機(jī)械泵、分子泵、粗抽閥、前級(jí)閥、閘板閥、真空計(jì)等。為了減少氮?dú)?、氧氣以及水蒸氣?duì)淀積工藝的影響，真空系統(tǒng)一般采用干泵和分子泵進(jìn)行抽氣，干泵用于抽低真空，與常用的機(jī)械油泵相比，可以避免油泵中的油氣進(jìn)入真空室污染基片。在干泵抽到一定壓力以下后，打開閘板閥，用分子泵抽高真空。分子泵的特點(diǎn)是抽本體真空能力強(qiáng)，尤其是除水蒸汽的能力非常強(qiáng)。

2.2.2 淀積系統(tǒng)

淀積系統(tǒng)由射頻電源、水冷系統(tǒng)、基片加熱裝置等組成。它是PECVD的核心部分。射頻電源的作用是使反應(yīng)氣體離子化。水冷系統(tǒng)主要為PECVD系統(tǒng)的機(jī)械泵、羅茨泵、干泵、分子泵等提供冷卻，當(dāng)水溫超過泵體要求的溫度時(shí)，它會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。冷卻水的管路采用塑料管等絕緣材料，不可用金屬管?；訜嵫b置的作用使樣品升溫到工藝要求溫度，除掉樣品上的水蒸氣等雜質(zhì)，以提高薄膜與樣品的附著力。

2.2.3 氣體及流量控制系統(tǒng)

PECVD系統(tǒng)的氣源幾乎都是由氣體鋼瓶供氣，這些鋼瓶被放置在有許多安全保護(hù)裝置的氣柜中，通過氣柜上的控制面板、管道輸送到PECVD的工藝腔體中。

在淀積時(shí)，反應(yīng)氣體的多少會(huì)影響淀積的速率及其均勻性等，因此需要嚴(yán)格控制氣體流量，通常采用質(zhì)量流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)精確控制。

3 PECVD設(shè)備常見問題及影響工藝的主要因素

3.1 設(shè)備常見問題及處理措施

3.1.1 無法起輝

無法起輝原因和處理措施：

（1）射頻電源故障，檢查射頻源電源功率輸出是否正常。

（2）反應(yīng)氣體進(jìn)氣量小，檢查氣體流量計(jì)是否正常，若正常，則加大進(jìn)氣量進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）腔體極板清潔度不夠，用萬用表測(cè)量腔體上下極板的對(duì)地電阻，正常值應(yīng)在數(shù)十兆歐以上，若異常，則清潔腔體極板。

（4）射頻匹配電路故障，檢查射頻源反射功率是否在正常值范圍內(nèi)，若異常，則檢查匹配電路中的電容和電感是否損壞。

（5）真空度太差，檢查腔體真空度是否正常。

3.1.2 輝光不穩(wěn)

（1）電源電流不穩(wěn)，測(cè)量電源供電是否穩(wěn)定。

（2）真空室壓力不穩(wěn)定，檢查腔體真空系統(tǒng)漏率是否正常，檢查腔體進(jìn)氣量是否正常。

（3）電纜故障，檢查電纜接觸是否良好。

3.1.3 成膜質(zhì)量差

（1）樣片表面清潔度差，檢查樣品表面是否清潔。

（2）工藝腔體清潔度差，清洗工藝腔體。

（3）樣品溫度異常，檢查溫控系統(tǒng)是否正常，校準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娕肌?/p>

（4）膜淀積過程中壓力異常，檢查腔體真空系統(tǒng)漏率。

（5）射頻功率設(shè)置不合理，檢查射頻電源，調(diào)整設(shè)置功率。

3.1.4 淀積速率低

（1）射頻輸入功率不合適，調(diào)整射頻功率。

（2）樣品溫度異常，檢查冷卻水流量及溫度是否正常。

（3）真空腔體壓力低，調(diào)整工藝氣體流量。

3.1.5 反應(yīng)腔體壓力不穩(wěn)定

（1）檢查設(shè)備真空系統(tǒng)的波紋管是否有裂紋。（2）檢查氣體流量計(jì)是否正常。

（3）手動(dòng)檢查蝶閥開關(guān)是否正常。

（4）真空泵異常，用真空計(jì)測(cè)量真空泵的抽速是否正常。

3.2 影響工藝的因素

影響PECVD工藝質(zhì)量的因素主要有以下幾個(gè)方面：

3.2.1 極板間距和反應(yīng)室尺寸

PECVD腔體極板間距的選擇要考慮兩個(gè)因素：

（1）起輝電壓：間距的選擇應(yīng)使起輝電壓盡量低，以降低等離子電位，減少對(duì)襯底的損傷。

（2）極板間距和腔體氣壓：極板間距較大時(shí)，對(duì)襯底的損傷較小，但間距不宜過大，否則會(huì)加重電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，影響淀積的均勻性。反應(yīng)腔體的尺寸可以增加生產(chǎn)率，但是也會(huì)對(duì)厚度的均勻性產(chǎn)生影響。

3.2.2 射頻電源的工作頻率

射頻PECVD通常采用50 kHz～13.56 MHz頻段射頻電源，頻率高，等離子體中離子的轟擊作用強(qiáng)，淀積的薄膜更加致密，但對(duì)襯底的損傷也比較大。高頻淀積的薄膜，其均勻性明顯好于低頻，這時(shí)因?yàn)楫?dāng)射頻電源頻率較低時(shí)，靠近極板邊緣的電場(chǎng)較弱，其淀積速度會(huì)低于極板中心區(qū)域，而頻率高時(shí)則邊緣和中心區(qū)域的差別會(huì)變小。

3.2.3 射頻功率

射頻的功率越大離子的轟擊能量就越大，有利于淀積膜質(zhì)量的改善。因?yàn)楣β实脑黾訒?huì)增強(qiáng)氣體中自由基的濃度，使淀積速率隨功率直線上升，當(dāng)功率增加到一定程度，反應(yīng)氣體完全電離，自由基達(dá)到飽和，淀積速率則趨于穩(wěn)定。

3.2.4 氣壓

形成等離子體時(shí)，氣體壓力過大，單位內(nèi)的反應(yīng)氣體增加，因此速率增大，但同時(shí)氣壓過高，平均自由程減少，不利于淀積膜對(duì)臺(tái)階的覆蓋。

氣壓太低會(huì)影響薄膜的淀積機(jī)理，導(dǎo)致薄膜的致密度下降，容易形成針狀態(tài)缺陷；氣壓過高時(shí)，等離子體的聚合反應(yīng)明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致生長網(wǎng)絡(luò)規(guī)則度下降，缺陷也會(huì)增加。

3.2.5 襯底溫度

襯底溫度對(duì)薄膜質(zhì)量的影響主要在于局域態(tài)密度、電子遷移率以及膜的光學(xué)性能，襯底溫度的提高有利于薄膜表面懸掛鍵的補(bǔ)償，使薄膜的缺陷密度下降。

襯底溫度對(duì)淀積速率的影響小，但對(duì)薄膜的質(zhì)量影響很大。溫度越高，淀積膜的致密性越大，高溫增強(qiáng)了表面反應(yīng)，改善了膜的成分。

4 結(jié)束語

以上是對(duì)PECVD設(shè)備遇到問題的一些體會(huì)，PECVD工藝是一門復(fù)雜的工藝，要保證淀積薄膜的質(zhì)量，除了要保證設(shè)備的穩(wěn)定性外，還必須掌握和精通其工藝原理及影響薄膜質(zhì)量的各種因素，以便在出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速分析出導(dǎo)致故障的原因。另外，對(duì)設(shè)備的日常維護(hù)和保養(yǎng)也非常重要。

[1] 陳建國，程宇航，吳一平，等.射頻-直流等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積設(shè)備的研制[J].真空與低溫，1998，4 (1)：30-34.

[2] H.Nakaya，M.Nishida，Y Takeda，et al.Polycrystalline Silicon Solar Cells[Z].1192，345-356.

[3] 陳萌炯.RF-PECVD和DBD-PECVD制備a-Si：H薄膜的性能研究及其比較[D].浙江：浙江大學(xué)，2006.

[4] 劉國漢，丁毅，朱秀紅，等.HW-MWECR-CVD法制備氫化微晶硅薄膜及其微結(jié)構(gòu)研究[J].物理學(xué)報(bào)，2002，55(11)：6147-6150.

The Principle and Fault Analysis of PECVD

CAO Jian

(The 13thResearch Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

This paper introduces the types of PECVD process technique,process principle,as well as the basic structure of the equipment.According to years of experience in equipment maintenance,a common cause of PECVD equipment technique are analyzed,and treatment measures are put forward. Finally,the analysis of main factors affecting the quality of PECVD process technique are summarized.

Chemical vapor deposition；Plasma enhanced chemical vapor deposition（PECVD）；Technique fault analysis；Process maintenance

TN304.055

B

1004-4507(2015)02-0007-04

2015-02-10

曹?。?981-），河北冀州人，2004年畢業(yè)于天津大學(xué)，工程師，從事半導(dǎo)體設(shè)備維修工作。