基于雙頻電源的PECVD 沉積設(shè)備設(shè)計(jì)與仿真

龍長林，周立平，陳國欽，龔 欣，龔 俊，巴 賽

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所， 湖南 長沙410205)

PECVD 技術(shù)是在低氣壓下借助微波或射頻電源產(chǎn)生的電磁場作用使反應(yīng)氣體電離形成等離子體。而等離子體化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，工藝氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)在基片上表面形成固態(tài)薄膜，其工藝原理如圖1所示。

圖1 PECVD 等離子體產(chǎn)生機(jī)理

依據(jù)等離子體理論研究：（1）對于由單一頻率驅(qū)動的等離子體不利于獲得穩(wěn)定的放電，放電過程也容易向弧光放電轉(zhuǎn)化，而高頻和低頻相結(jié)合的雙頻驅(qū)動可以顯著地降低擊穿電壓，使得等離子體可以在較低的電壓下啟輝，更有利于獲得穩(wěn)定的等離子體源，雙頻等離子體系統(tǒng)也可以擴(kuò)大α 模式放電的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，使等離子體可以在一個(gè)較大的電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的放電；（2）雙頻等離子體氣體溫度的可控制范圍較大，而保持較低的等離子體氣體溫度對于紅外應(yīng)用是非常重要的，雙頻等離子體的氣體溫度可以通過調(diào)節(jié)電壓控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，使得帶電粒子對沉積襯底的轟擊減弱、等離子體對紅外芯片的損傷降低。與單頻等離子體相比，雙頻等離子體系統(tǒng)設(shè)計(jì)更有利于實(shí)際的低損傷要求的芯片介質(zhì)薄膜沉積應(yīng)用[1]。

1 雙射頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)PECVD 設(shè)備的成膜特點(diǎn)及用戶工藝需求，項(xiàng)目采用雙頻電源實(shí)現(xiàn)方案，如圖2 所示。射頻電源系統(tǒng)配備兩套，一套為13.56 MHz 的高頻射頻電源，一套為400 kHz 的低頻射頻電源，兩電源最高功率均為300 W，最大反射功率≤1%，功率穩(wěn)定性≤1%。加載在反應(yīng)室電極上的電壓頻率有2 種，其中的高頻生長的薄膜具有張應(yīng)力，低頻生長的薄膜具有壓應(yīng)力[2]。

圖2 PECVD 系統(tǒng)構(gòu)成

雙頻電源系統(tǒng)包括相應(yīng)匹配器、傳輸線等，如圖3 所示。射頻電源匹配器的電容電感可以鎖定，在工藝過程中可以通過控制軟件對反應(yīng)室內(nèi)電極板的射頻電源進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)在工藝過程中對反應(yīng)室內(nèi)加載的射頻頻率進(jìn)行更改。輸出端設(shè)計(jì)為異步電路，確保高低頻電源之間不連通，實(shí)現(xiàn)相互干擾抑制?？刂贫瞬捎脮r(shí)間同步、相位相反的方波分別控制兩臺射頻電源，使2 臺射頻電源能夠無縫配合，按工藝要求進(jìn)行快速切換或共同工作。通過定制的開發(fā)接口，可調(diào)節(jié)匹配器的參數(shù)，使射頻電源在工藝過程中能夠根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行自動匹配。

圖3 雙頻電源系統(tǒng)組成示意圖

雙頻同時(shí)穩(wěn)定工作和相互干擾抑制是通過雙頻電源調(diào)諧控制器實(shí)現(xiàn)的，調(diào)諧控制器包括幅值檢測模塊、相位檢測模塊、調(diào)整模塊、相位控制電路等。幅值檢測模塊，兩路射頻電源的電感分別連接耦合電容，將電壓幅值轉(zhuǎn)換為電流信號，再將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而獲知電壓幅值，之后兩路電壓幅值傳送到差分放大器，幅值差值傳送到調(diào)整模塊；相位檢測模塊，兩路射頻電源的電感側(cè)部分別設(shè)置天線，天線獲得的相位信號分別傳送到鑒相器，相位差傳送到所述調(diào)整模塊；調(diào)整模塊，調(diào)整模塊根據(jù)接收到的所述幅值差值調(diào)整射頻放大電路增益，使兩路射頻電壓幅值差值控制在設(shè)定范圍內(nèi)，調(diào)整模塊根據(jù)接收到的相位差值得到相位調(diào)整量，相位控制電路使兩路射頻電壓相位差控制在設(shè)定范圍內(nèi)，調(diào)諧控制器控制框圖如圖4 所示。

圖4 雙頻電源調(diào)諧控制器控制框圖

雙頻電源系統(tǒng)可選工作模式：

（1）高低頻同時(shí)作用于反應(yīng)室，高頻為主，低頻調(diào)制為輔；

（2）高低頻交替作用于反應(yīng)室，可以快速切換；

（3）高低頻單獨(dú)作用于反應(yīng)室，獨(dú)立控制工作。

3 種工作方式，在合適的低頻匹配檔位和高頻匹配預(yù)設(shè)點(diǎn)的條件下，均能實(shí)現(xiàn)低功率啟輝和持續(xù)穩(wěn)定放電。

2 實(shí)驗(yàn)與仿真

為了驗(yàn)證方案的可行性，從低頻和高頻兩個(gè)方面分別對反應(yīng)室內(nèi)部的電磁場分布進(jìn)行有限元模擬。一方面基于ANSYS 軟件的電磁場模塊，對低頻電磁場進(jìn)行諧態(tài)電路有限元分析，得到反應(yīng)室內(nèi)電磁場分布；另一方面基于Ansoft HFSS 對高頻電磁場進(jìn)行本征模態(tài)分析，從而得到所需的各階模態(tài)和頻率。

仿真結(jié)果如圖5～圖8 所示。

圖5 低頻反應(yīng)室內(nèi)電壓分布

圖6 低頻反應(yīng)室內(nèi)等離子體分布

從低頻的結(jié)果可以看出反應(yīng)室內(nèi)的電磁場具有一定的邊緣效應(yīng)，但該分析方法是將射頻電路與諧波電磁場作為獨(dú)立的模塊進(jìn)行仿真的，忽略了等離子體的耦合作用，因此結(jié)果會存在一定的誤差，下一步研究工作將是實(shí)現(xiàn)射頻電路與等離子體的耦合電磁場分析；高頻分析主要是為了獲得反應(yīng)室內(nèi)的多階模態(tài)和諧振頻率，通過數(shù)值模擬再現(xiàn)了駐波效應(yīng)。分析結(jié)果為工程設(shè)計(jì)與工藝試驗(yàn)提供了有利參考。

圖7 高頻第1 階模態(tài)下的電場強(qiáng)度分布

圖8 高頻第1 階模態(tài)下的磁場強(qiáng)度分布

3 結(jié)論

該方案成功應(yīng)用于自主研制的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備，驗(yàn)證了低頻頻率范圍、低功率啟輝的優(yōu)越性，并提供了更好的工藝自由度。通過極低功率啟輝，減少對半導(dǎo)體器件的損傷；同時(shí)通過混頻沉積工藝的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了低應(yīng)力、低損傷薄膜沉積，滿足低損傷要求芯片工藝的介質(zhì)層制備要求。