微波板式PECVD 設(shè)備多晶硅片表面鍍膜均勻性影響因素的研究

王貴梅，劉 苗，朱少杰，趙 環(huán)，李影影

(晶澳太陽(yáng)能有限公司，邢臺(tái) 055550)

0 引言

由于多晶硅片表面在不同晶粒之間的晶格取向、絨面特性，甚至反射率方面都存在較大差別，因此在其表面制備的SiNx膜的均勻性較差。多晶硅片表面鍍膜時(shí)常用的鍍膜設(shè)備是等離子體增強(qiáng)化學(xué)的氣相沉積(PECVD)設(shè)備。

在微波板式PECVD 設(shè)備中，通過(guò)將內(nèi)置的同軸石英管與微波發(fā)射器相連接，可實(shí)現(xiàn)石英管表面微波放電，從而激發(fā)出高均勻度的微波等離子體。石英管的另一個(gè)作用是將設(shè)備腔室中的反應(yīng)氣體與微波天線(xiàn)隔離，減少反應(yīng)氣體在微波天線(xiàn)上的沉積。在石英管的外側(cè)有一個(gè)金屬罩，其目的是將參與反應(yīng)的NH3氣體限制在特定空間內(nèi)，在微波周?chē)ㄈ隢H3氣體，NH3氣體離化后產(chǎn)生N-和H+，這2 種離子與在多晶硅片附近通入的SiH4氣體混合、碰撞，SiH4氣體分離后形成Si4-，與N-和H+形成SiNx膜，沉積在硅片表面[1]。

由于市場(chǎng)對(duì)于多晶硅片表面鍍膜的均勻性提出了更加苛刻的要求，因此，本文針對(duì)微波板式PECVD 設(shè)備(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“PECVD 設(shè)備”)的相關(guān)配件對(duì)設(shè)備在多晶硅片表面鍍膜時(shí)膜層(SiNx膜)均勻性的影響進(jìn)行了研究與探討，并進(jìn)行了針對(duì)性地改善。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用Roth&Rau 公司的能量頻率為2.45 GHz 的PECVD 設(shè)備鍍膜；采用北京量拓科技有限公司的EMPro-PV 橢偏儀測(cè)試鍍膜膜層(SiNx膜)的折射率，并以“折射率方差平均值”表征鍍膜均勻性，折射率方差平均值越大，表明鍍膜均勻性越差。

橢偏儀的測(cè)試環(huán)境為室溫大氣環(huán)境，其工作原理示意圖如圖1 所示[2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品的處理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

原料硅片采用松宮電子材料有限公司生產(chǎn)的p 型多晶硅片，尺寸為156 mm×156 mm、厚度為180 μm，實(shí)驗(yàn)所用原料硅片均切割于同一鑄錠硅。

所有原料硅片均經(jīng)過(guò)濕法制絨→擴(kuò)散→濕法刻蝕→熱氧化等相同工序后，在PECVD 設(shè)備采用不同的配件條件時(shí)對(duì)10 個(gè)批次的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行鍍膜，其中，不同的PECVD 設(shè)備配件條件包括石英管、耐高溫膠帶廠(chǎng)家的差異，氣路的氣孔個(gè)數(shù)差異，加熱板與導(dǎo)波器完好程度的差異；并將10 個(gè)批次分別標(biāo)示為批次a～批次j，每個(gè)批次包括800 片硅片。不同的PECVD 設(shè)備配件條件如表1 所示。

表1 不同的PECVD 設(shè)備配件條件Table1 Different accessory conditions of PECVD equipment

將每個(gè)批次的800 片硅片均分放置在石墨框內(nèi)沉積鍍膜，每個(gè)石墨框內(nèi)一次可給50 片硅片鍍膜，4 個(gè)石墨框(編號(hào)為K1～K4)循環(huán)使用4次(相當(dāng)于將800 片硅片均分在16 個(gè)石墨框內(nèi))為完成1 個(gè)批次的鍍膜過(guò)程。收集每個(gè)石墨框內(nèi)如圖2 所示區(qū)域的硅片，測(cè)試序號(hào)1～10 位置的硅片的折射率，并將序號(hào)1～5 位置的硅片的折射率求折射率方差，再將序號(hào)6～10 位置的硅片的折射率求折射率方差，然后求這2 個(gè)折射率方差的平均值，用于表征鍍膜的均勻性。

按照上述方法，以每個(gè)批次的16 個(gè)石墨框中對(duì)應(yīng)序號(hào)位置的硅片的折射率求得的折射率方差平均值表征批次間的鍍膜均勻性；而以每個(gè)批次內(nèi)4 個(gè)石墨框循環(huán)使用4 次時(shí)相同編號(hào)石墨框的硅片所測(cè)得的折射率方差平均值表征批次內(nèi)的均勻性；實(shí)驗(yàn)期間不斷對(duì)設(shè)備進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

2.1 廠(chǎng)家差異對(duì)鍍膜均勻性的影響

由于實(shí)驗(yàn)中石英管和耐高溫膠帶分別采用的是2 個(gè)不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品，因此針對(duì)廠(chǎng)家差異對(duì)4個(gè)批次的鍍膜均勻性的影響進(jìn)行分析。廠(chǎng)家不同時(shí)4 個(gè)批次的批次間和批次內(nèi)的折射率方差平均值情況如圖3、圖4 所示。

對(duì)比圖3 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，批次a～ 批次d這4 個(gè)批次的批次間和批次內(nèi)的折射率方差平均值的變化趨勢(shì)相同，這表明這4 個(gè)批次的批次間和批次內(nèi)的鍍膜均勻性呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。

由圖3、圖4 可知，石英管廠(chǎng)家B 和耐高溫膠帶廠(chǎng)家D 組合后得到的折射率方差平均值最小，說(shuō)明該配件條件下PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性最優(yōu)。這是因?yàn)椴煌瑥S(chǎng)家的耐高溫膠帶的耐高溫性能和對(duì)等離子體的附著力不同，因此對(duì)PECVD 設(shè)備鍍膜的均勻性存在影響。而石英管廠(chǎng)家不同時(shí)PECVD 設(shè)備鍍膜均勻性存在差異，可能與不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的石英管的微觀結(jié)構(gòu)中的氣泡量有關(guān)，氣泡較多會(huì)削弱石英管對(duì)微波天線(xiàn)的保護(hù)作用，而氣泡較少的石英管可以更好地減少等離子體在微波天線(xiàn)上的沉積，未沉積等離子體的微波天線(xiàn)可以激發(fā)更多的氣體電離，增加硅片表面的等離子體分布，使鍍膜更加均勻。但石英管氣泡數(shù)量目前尚無(wú)有效的檢測(cè)手段，所以石英管廠(chǎng)家不同時(shí)PECVD 設(shè)備鍍膜均勻性存在差異是否是由氣泡數(shù)量原因?qū)е碌倪€有待進(jìn)一步確認(rèn)。

綜上所述可知，石英管和耐高溫膠帶廠(chǎng)家差異會(huì)對(duì)PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性產(chǎn)生影響的主要原因是材質(zhì)性能的差異。

由于已經(jīng)確定了石英管廠(chǎng)家B 和耐高溫膠帶廠(chǎng)家D 結(jié)合使用時(shí)PECVD 設(shè)備鍍膜的均勻性更優(yōu)，因此，后文討論氣路的氣孔個(gè)數(shù)差異，加熱板、導(dǎo)波器的完好程度差異對(duì)PECVD 設(shè)備鍍膜均勻性的影響時(shí)，都是以使用石英管廠(chǎng)家B 和耐高溫膠帶廠(chǎng)家D 的產(chǎn)品為前提的。

由于石英管和耐高溫膠帶可以直接影響PECVD 設(shè)備的鍍膜效果，根據(jù)上述分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，批次間的鍍膜均勻性趨勢(shì)可以表征批次內(nèi)的鍍膜均勻性趨勢(shì)，因此，后續(xù)分析氣路的氣孔個(gè)數(shù)的差異，加熱板、導(dǎo)波器的完好程度差異對(duì)PECVD 設(shè)備鍍膜均勻性產(chǎn)生的影響時(shí)，只采用批次間的折射率方差平均值來(lái)表征鍍膜的均勻性。

2.2 氣路的氣孔個(gè)數(shù)差異對(duì)鍍膜均勻性的影響

對(duì)氣路的氣孔個(gè)數(shù)分別為22 個(gè)和30 個(gè)時(shí)對(duì)PECVD 設(shè)備鍍膜均勻性的影響進(jìn)行分析。圖5為氣路的氣孔實(shí)物圖，圖6 為氣孔個(gè)數(shù)不同時(shí)2個(gè)批次的批次間的折射率方差平均值的情況。

當(dāng)氣孔直徑不變時(shí)，氣孔個(gè)數(shù)越多，氣孔間的間距越密。由圖6 可知，當(dāng)氣孔個(gè)數(shù)為30 個(gè)時(shí)，其折射率方差平均值較小，說(shuō)明該配件條件下PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性更好。分析造成這一結(jié)果的原因，是因?yàn)殡S著氣孔個(gè)數(shù)的增加，單片多晶硅片周?chē)牡入x子體分布會(huì)更為密集、均勻，但更多的氣孔個(gè)數(shù)會(huì)相應(yīng)增加維護(hù)時(shí)清理氣孔的時(shí)間，也會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)化PECVD 設(shè)備的產(chǎn)能造成負(fù)面影響。因此，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要兼顧產(chǎn)能和鍍膜均勻性，合理設(shè)計(jì)氣孔個(gè)數(shù)。

2.3 加熱板的完好程度差異對(duì)鍍膜均勻性的影響

制備SiNx膜時(shí)，反應(yīng)腔的溫度一般會(huì)通過(guò)電阻絲加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，加熱板的完好程度差異會(huì)對(duì)PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性產(chǎn)生一定影響。圖7 為電阻絲燒斷的加熱板圖片，圖8 為完好的加熱板圖片。

在氣路的氣孔個(gè)數(shù)為30 個(gè)的前提下，分析加熱板損壞和加熱板完好時(shí)2 個(gè)批次的批次間的折射率方差平均值情況，具體如圖9 所示。

由圖9 可知，加熱板完好時(shí)的批次間的折射率方差平均值較小，說(shuō)明此種情況下PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性較好。分析原因，是因?yàn)榧訜岚鍝p壞后，反應(yīng)腔內(nèi)存在溫度差，損壞位置的實(shí)際溫度會(huì)比完好位置的偏低，氣流及等離子體隨溫度的降低而呈梯度分布，導(dǎo)致PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性急劇變差。

2.4 導(dǎo)波器完好程度差異對(duì)鍍膜均勻性的影響

圖10 為導(dǎo)波器設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)。

根據(jù)導(dǎo)波器設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)可知，導(dǎo)波器將磁頭產(chǎn)生的微波通過(guò)微波天線(xiàn)導(dǎo)入腔體內(nèi)，激發(fā)氣體，從而使NH3和SiH4碰撞電離產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而附著在硅片表面。導(dǎo)波器的完好程度會(huì)對(duì)PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性產(chǎn)生影響。圖11 為導(dǎo)波器中燒壞的導(dǎo)波管圖片，圖12 為導(dǎo)波器完好程度不同時(shí)2 個(gè)批次的批次間的折射率方差平均值情況。

由圖12 可知，導(dǎo)波器中的導(dǎo)波管損壞時(shí)，批次i 的批次間的折射率方差平均值較大，說(shuō)明此情況下PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性較差。分析原因，是因?yàn)閷?dǎo)波管損壞會(huì)導(dǎo)致氣體不能被電離，減小了等離子體密度，從而嚴(yán)重影響了PECVD設(shè)備的鍍膜均勻性。

由于加熱板和導(dǎo)波器損壞的情況較為隱蔽、無(wú)法直接從監(jiān)控的參數(shù)界面體現(xiàn)出來(lái)，因此，若PECVD 設(shè)備出現(xiàn)鍍膜均勻性較差的情況時(shí)，可以拆下這2 個(gè)配件進(jìn)行檢查，并及時(shí)進(jìn)行更換，從而改善PECVD 設(shè)備鍍膜的均勻性。

3 結(jié)論

本文通過(guò)采用橢偏儀測(cè)試了多晶硅片表面沉積的SiNx膜的折射率，并利用折射率方差平均值來(lái)表征PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性，研究了石英管、耐高溫膠帶廠(chǎng)家的差異，氣路的氣孔個(gè)數(shù)差異，加熱板、導(dǎo)波器的完好程度差異對(duì)PECVD設(shè)備的鍍膜均勻性的影響，得出以下結(jié)論：

1) 不同廠(chǎng)家的石英管和耐高溫膠帶對(duì)PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性存在直接影響。因?yàn)椴煌瑥S(chǎng)家的耐高溫膠帶的耐高溫性能和對(duì)等離子體的附著力不同，因此其對(duì)PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性的影響也不同；而石英管廠(chǎng)家不同時(shí)，PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性同樣存在差異，這可能與不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的石英管的微觀結(jié)構(gòu)中的氣泡數(shù)量不同相關(guān)，氣泡多會(huì)削弱石英管對(duì)微波天線(xiàn)的保護(hù)作用，而氣泡較少的石英管可以更好地減少等離子體在微波天線(xiàn)上的沉積。

2) 氣路的氣孔個(gè)數(shù)為30 個(gè)時(shí)較氣孔個(gè)數(shù)為22 個(gè)時(shí)，PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性得到了改善。這是因?yàn)殡S著氣孔個(gè)數(shù)的增加，單片多晶硅片周?chē)牡入x子體分布會(huì)更為密集、均勻，但更多的氣孔個(gè)數(shù)會(huì)相應(yīng)增加維護(hù)時(shí)清理氣孔的時(shí)間，也會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)化PECVD 設(shè)備的產(chǎn)能造成負(fù)面影響。因此，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要兼顧產(chǎn)能和鍍膜均勻性，合理設(shè)計(jì)氣孔個(gè)數(shù)。

3) 加熱板和導(dǎo)波器損壞的情況較為隱蔽，無(wú)法直接從監(jiān)控的參數(shù)界面體現(xiàn)出來(lái)，但這2個(gè)配件條件均對(duì)PECVD 設(shè)備鍍膜均勻性的影響較大。因此，若PECVD 設(shè)備出現(xiàn)鍍膜均勻性較差的情況時(shí)，可以拆下這2 個(gè)配件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)及時(shí)更換，進(jìn)而改善鍍膜的均勻性。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性同時(shí)受多種工藝參量的影響，比如氣體流量比、總壓強(qiáng)、總流量、電源功率密度、沉積時(shí)間等，但本文主要側(cè)重研究硬件配件對(duì)鍍膜均勻性的影響；在調(diào)試工藝參量無(wú)法進(jìn)一步改善PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性的情況下，本文分析結(jié)果對(duì)如何提升PECVD 設(shè)備的鍍膜均勻性具有一定的積極作用。