PECVD的原理和分析

1、摘要：薄膜制备工艺在超大规模集成电路技术中有着非常广泛的应用，按照其成膜方法可分为两大类：物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积CVD。等离子增 强型化学气相淀积PECVD是化学气相淀积的一种，其淀积温度低是它最突 出的优点。PECVD淀积的薄膜具有优良的电学性能、良好的衬底附着性以及极 佳的台阶覆盖性，正由于这些优点使其在超大规模集成电路、光电器件、MEMS等领域具有广泛的应用。本文简要介绍了 PECVD工艺的种类、设备构造及其工 艺原理，根据多年对设备维护的经历，介绍了等离子增强型化学气相淀积PECVD设备的根本构造，总结了这类设备的常见故障及解决措施。1PECVD的种类1.1射频增强等离子

2、体化学气相淀积RF-PECVD等离子体化学气相淀积是在低压化学气相淀积的同时，利用辉光放电等离子对过程施加影响，在衬底上制备出多晶薄膜。这种方法是日本科尼卡公司在1994年提出的，其等离子体的产生方法多采用射频法，故称为RF-PECVD。其射频电场采用两种不同的耦合方式，即电感耦合和电容耦合 1。1.2甚高频等离子体化学气相淀积VHF-PECVD采用RF-PECVD技术制备薄膜时，为了实现低温淀积，必须使用稀释的硅烷作 为反响气体，因此淀积速度有限。 VHF-PECVD技术由于VHF激发的等离子体 比常规的射频产生的等离子体电子温度更低、密度更大2，因而能够大幅度提高薄膜的淀积速率，在实际应用

3、中获得了更广泛的应用。1.3介质层阻挡放电增强化学气相淀积DBD-PECVDDBD-PECVD是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻 挡电晕放电或无声放电。这种放电方式兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕 放电的高气压运行特点，正逐渐用于制备硅薄膜中 3。1.4微波电子盘旋共振等离子体增强化学气相淀积MWECR-PECVDMWECR-PECVD是利用电子在微波和磁场中的盘旋共振效应，在真空条件下形成高活性和高密度的等离子体进展气相化学反响。在低温下形成优质薄膜的技 术。这种方法的等离子体是由电磁波激发而产生，其常用频率为2450MHz，通过改变电磁波光子能量可直接改变使气体分解

4、成粒子的能量和生存寿命，从而对薄膜的生成和膜外表的处理机制产生重大影响，并从根本上决定生成膜的构造、 特性和稳定性4。2PECVD设备的根本构造2.1PECVD工艺的根本原理PECVD技术是在低气压下，利用低温等离子体在工艺腔体的阴极上即样品放 置的托盘产生辉光放电，利用辉光放电或另加发热体使样品升温到预定的 温度，然后通入适量的工艺气体，这些气体经一系列化学反响和等离子体反响， 最终在样品外表形成固态薄膜。其工艺原理示意图如图1所示。啪咖人反咗內逋人HE.® i ftf m工艺榨氏在反响过程中，反响气体从进气口进入炉腔，逐渐扩散至样品外表，在射频源激 发的电场作用下，反响气体分解成

5、电子、离子和活性基团等。这些分解物发生化 学反响，生成形成膜的初始成分和副反响物， 这些生成物以化学键的形式吸附到 样品外表，生成固态膜的晶核，晶核逐渐生长成岛状物，岛状物继续生长成连续 的薄膜。在薄膜生长过程中，各种副产物从膜的外表逐渐脱离，在真空泵的作用 下从出口排出。2.2PECVD设备的根本构造PECVD设备主要由真空和压力控制系统、淀积系统、气体及流量控制、系统平 安保护系统、计算机控制等局部组成。其设备构造框图如图2所示。2 PE(+V1> ifi#结构框图二独盖尿c真空和压力控制系统真空和压力控制系统包括机械泵、 分子泵、粗抽阀、前级阀、闸板阀、真空计等。 为了减少氮气、氧

6、气以及水蒸气对淀积工艺的影响，真空系统一般采用干泵和分 子泵进展抽气，干泵用于抽低真空，与常用的机械油泵相比，可以防止油泵中的 油气进入真空室污染基片。在干泵抽到一定压力以下后，翻开闸板阀，用分子泵 抽高真空。分子泵的特点是抽本体真空能力强，尤其是除水蒸汽的能力非常强。淀积系统淀积系统由射频电源、水冷系统、基片加热装置等组成。它是PECVD的核心局部。射频电源的作用是使反响气体离子化。水冷系统主要为PECVD系统的机械泵、罗茨泵、干泵、分子泵等提供冷却，当水温超过泵体要求的温度时，它会发 出报警信号。冷却水的管路采用塑料管等绝缘材料， 不可用金属管。基片加热装 置的作用使样品升温到工艺要求温度

7、，除掉样品上的水蒸气等杂质，以提高薄膜 与样品的附着力。223气体及流量控制系统PECVD系统的气源几乎都是由气体钢瓶供气，这些钢瓶被放置在有许多平安保 护装置的气柜中，通过气柜上的控制面板、管道输送到PECVD的工艺腔体中。在淀积时，反响气体的多少会影响淀积的速率及其均匀性等，因此需要严格控制气体流量，通常采用质量流量计来实现准确控制。3常见问题及影响工艺主要因素3.1设备常见问题及处理措施无法起辉无法起辉原因和处理措施：1射频电源故障，检查射频源电源功率输出是否正常。2反响气体进气量小，检查气体流量计是否正常，假设正常，那么加大进气 量进展试验。3腔体极板清洁度不够，用万用表测量腔体上下极

8、板的对地电阻，正常值应 在数十兆欧以上，假设异常，那么清洁腔体极板。4射频匹配电路故障，检查射频源反射功率是否在正常值围，假设异常，那 么检查匹配电路中的电容和电感是否损坏。5真空度太差，检查腔体真空度是否正常。辉光不稳1电源电流不稳，测量电源供电是否稳定。2真空室压力不稳定，检查腔体真空系统漏率是否正常，检查腔体进气量是 否正常。3电缆故障，检查电缆接触是否良好。更多防水请访问纳米防水网成膜质量差1样片外表清洁度差，检查样品外表是否清洁。2工艺腔体清洁度差，清洗工艺腔体。3样品温度异常，检查温控系统是否正常，校准测温热电偶。4膜淀积过程中压力异常，检查腔体真空系统漏率。5射频功率设置不合理，

9、检查射频电源，调整设置功率淀积速率低更多防水请访问纳米防水网1射频输入功率不适宜，调整射频功率。2样品温度异常，检查冷却水流量及温度是否正常。3真空腔体压力低，调整工艺气体流量。反响腔体压力不稳定1检查设备真空系统的波纹管是否有裂纹。2检查气体流量计是否正常。3手动检查蝶阀开关是否正常。4真空泵异常，用真空计测量真空泵的抽速是否正常。3.2影响工艺的因素影响PECVD工艺质量的因素主要有以下几个方面：极板间距和反响室尺寸PECVD腔体极板间距的选择要考虑两个因素：1起辉电压：间距的选择应使起辉电压尽量低，以降低等离子电位，减少对 衬底的损伤。更多防水请访问纳米防水网2极板间距和腔体气压：极板间

10、距较大时，对衬底的损伤较小，但间距不宜 过大，否那么会加重电场的边缘效应，影响淀积的均匀性。反响腔体的尺寸可以 增加生产率，但是也会对厚度的均匀性产生影响。射频电源的工作频率射频PECVD通常采用50kHz13.56MHz 频段射频电源，频率高，等离子体中离子的轰击作用强，淀积的薄膜更加致密，但对衬底的损伤也比拟大。高频淀积 的薄膜，其均匀性明显好于低频，这时因为当射频电源频率较低时， 靠近极板边 缘的电场较弱，其淀积速度会低于极板中心区域，而频率高时那么边缘和中心区 域的差异会变小。射频功率射频的功率越大离子的轰击能量就越大， 有利于淀积膜质量的改善。因为功率的 增加会增强气体中自由基的浓度

11、，使淀积速率随功率直线上升，当功率增加到一 定程度，反响气体完全电离，自由基到达饱和，淀积速率那么趋于稳定。气压形成等离子体时，气体压力过大，单位的反响气体增加，因此速率增大，但同时 气压过高，平均自由程减少，不利于淀积膜对台阶的覆盖。气压太低会影响薄膜 的淀积机理，导致薄膜的致密度下降，容易形成针状态缺陷；气压过高时，等离 子体的聚合反响明显增强，导致生长网络规那么度下降，缺陷也会增加。325衬底温度衬底温度对薄膜质量的影响主要在于局域态密度、电子迁移率以及膜的光学性 能，衬底温度的提高有利于薄膜外表悬挂键的补偿，使薄膜的缺陷密度下降。衬底温度对淀积速率的影响小，但对薄膜的质量影响很大。温度越高，淀积膜的 致密性越大，高温增强了外表反响，改善了膜的成分。4完毕语以上是对PECVD设备遇到问题的一些体会，PECVD工艺是一门复杂的工艺， 要保证淀积薄膜的质量，除了要保证设备的稳定性外，还必须掌握和精通其工艺 原理及影响薄膜质量的各种因素，以便在出现故障时，能迅速分析出导致故障的 原因。另外，对设备的日常维护和保养也非常重要。参考文献：1 建国，程宇航，吴一平，等.射频-直流等离子体增强化学气相淀积设备的研制J.真空与低温，1998，4(1) : 30-34.2 H.Nakaya，M.Nishida，YTak