PECVD原理及设备结构

蓝绿色 浅绿色 橙黄色 红 色
黄褐色 红 色
深蓝色 蓝 色
橙 黄 色 红 色
淡蓝色
深 红 色
PECVD的原理

物理性质和化学性质：
结构致密，硬度大 能抵御碱、金属离子的侵蚀 介电强度高 耐湿性好
PECVD的原理
Si3N4膜的作用:


减少光的反射:良好的折射率和厚度可 以促进太阳光的吸收。 防氧化:结构致密保证硅片不被氧化。
判断PECVD 的产出硅片的质量
亮点 色斑
镀膜时 间太短
色斑
色差
水纹 印
影响PECVD的工艺参量

（1） 工作频率、功率 PECVD工艺是利用微波产生等离子体实现氮化硅薄膜沉积。微波一般工作频率为 2.45GHz，功率范围为2600W—3200W。高频电磁场激励下，反应气体激活，电离 产生高能电子和正负离子，同时发生化学沉积反应。功率，频率是影响氮化硅薄膜生 长的重要因素，其功率和频率调整不好，会生长一些有干涉条纹的薄膜，片内薄膜的 均匀性非常差。 ①. 工作频率是影响薄膜应力的重要因素。薄膜在高频下沉积的薄膜具有张应力，而在 低频下具有压应力。绝大多数条件下，低频氮化硅薄膜的沉积速率低于高频率薄膜， 而密度明显高于高频薄膜。所有条件下沉积的氮化硅薄膜都具有较好的均匀性，相对 来说，高频薄膜的沉积均匀性优于低频氮化硅薄膜。 在低频下等离子体的离化度较高，离子轰击效应明显，因此有助于去除薄膜生长中的 一些结合较弱的原子团，在氮化硅薄膜沉积中，主要是一些含氢的原子团，因此，低 频氮化硅薄膜中的氢含量相对较低，薄膜的沉积速率也较低，同时，离子轰击使薄膜 致密化，使薄膜密度较大并表现出压应力。在高频下，由于离子轰击作用较弱，薄膜 表现为张应力。 近期的研究发现，氮化硅薄膜的腐蚀速率与应力有密切的关系，压应力对应于较低的 腐蚀速率，而张应力对应于较高的腐蚀速率。（消除应力的一种方法是采用两套频率 不同的功率源交替工作，使总的效果为压缩应力和舒张应力相互抵消，从而形成无应 力膜。但此方法局限性在于它受设备配置的限制，必须有两套功率源；另外应力的变 化跟两个频率功率源作用的比率的关系很敏感，压应力和张应力之间有一个突变，重 复性不易掌握，工艺条件难以控制）。 ②. 功率对薄膜沉积的影响为：一方面，在PECVD工艺中，由于高能粒子的轰击将使 界面态密度增加，引起基片特性发生变化或衰退，特别是在反应初期，故希望功率越 小越好。功率小，一方面可以减轻高能粒子对基片表面的损伤，另一方面可以降低淀 积速率，使得反应易于控制，制备的薄膜均匀，致密。另一方面，功率太低时不利于 沉积出高质量的薄膜，且由于功率太低，反应物离解不完全，容易造成反应物浪费。 因此，根据沉积条件，需要选择合适的功率范围。
气动阀：之所以不用电磁阀是因为电磁阀在工作时
PECVD设备结构
真空系统


真空泵：每一根石英管配置一组泵，包括 主泵和辅助泵。 蝶阀：可以根据要求控制阀门的开关的大 小，来调节管内气压的
PECVD设备结构
控制系统


CMI:是 Centrotherm 研发的一个控制系统，其中 界面包括 Jobs（界面） 、System（系统）、 Catalog（目录）、Setup（软件）、Alarms（报警）、 Help（帮助）. Jobs:机器的工作状态。 System:四根管子的工作状态，舟的状态以及手动操 作机器臂的内容。 Datalog:机器运行的每一步。
PECVD的原理及设备结构
PECVD的原理

PECVD： Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition 等离子增强化学气相沉积 等离子体：由于物质分子热运动加剧，相互间的 碰撞就会使气体分子产生电离，这样的物质就会 变成自由运动并由相互作用的电子、正离子和中 性粒子组成混合物的一种形态，这种形态就称为 等离子态即第四态.
SINx薄膜
氮化硅颜色与厚度的对照表
颜色 硅本色 褐 色 厚度（nm） 0-20 20-40 40-50 55-73 73-77 77-93 93-100 颜色 很淡蓝色 硅 本 色 淡 黄 色 黄 色 厚度（nm） 100-110 110-120 120-130 130-150 150-180 180-190 190-210 颜色 蓝 色 厚度（nm） 210-230 230-250 250-280 280-300 300-330
均匀性分析

管式PECVD系统由于其石墨舟中间镂空，因此利用了硅 片作为电极的一部分， 因此辉光放电的特性就与硅片表 面的特性有了一定的关系，比如硅片表面织构化所生成的
金子塔尖端的状态就对等离子体放电产生影响，而目前硅
片的电导率的不同 也影响到等离子场的均匀性

管式PECVD的气流是从石英管一端引入，这样也会造成 工艺气体分布的不均匀


Si3N4的认识: Si3N4膜的颜色随着它的厚度的变化而变化， 其理想的厚度是75—80nm之间，表面呈现 的颜色是深蓝色，Si3N4膜的折射率在2.0— 2.5之间为最佳。 Si3N4的优点： 优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能 （厚度折射率匹配）低温工艺（有效降低成本） 反应生成的H离子对硅片表面进行钝化.
• • • • • 没有消耗净室空气 不同管间无热干涉 炉环境的温度没有被热空气所提升 空气运动（通风装置）没有使房间污染 噪音水平低
冷却系统示意图
PECVD设备结构
特气柜：MFC 气动阀

MFC：气体流量计（NH3 CF4 SiH4 O2 N2） SiH4 1.8 slm NH3 10.8 slm CF4 3.6 slm O2 3 slm N2 15 slm 容易产生火花，而气动阀可以最大程度的避免火花。
影响PECVD的工艺参量

（2） 压力 等离子体产生的一个重要条件是：反应气体必须处于低真空下，而且其真空 度只允许在一个较窄的范围内变动。形成等离子体时，气体压力过大自由电 子的平均自由程很短，每次碰撞在高频电场中得到加速而获得的能量很小， 削弱了电子激活反应气体分子的能力，甚至根本不足以激发形成等离子体； 而真空度过高，电子密度太低同样也无法产生辉光放电。PECVD腔体压强大 约是0.12mbar，属于低真空状态（102—10-1Pa），此时每立方厘米内的 气体分子数为1016—1013个，气体分子密度与大气时有很大差别，气体中 的带电粒子在电场作用下，会产生气体导电现象。低压气体在外加电场下容 易形成辉光放电，电离反应气体，产生等离子体，激活反应气体基团，发生 化学气相反应。 工艺上：压强太低，生长薄膜的沉积速率较慢，薄膜的折射率也较低；压强 太高，生长薄膜的沉积速率较快，片之间的均匀性较差，容易有干涉条纹产 生。
PECVD的原理

工作原理：Centrotherm PECVD 系统是 一组利用平行板镀膜舟和高频等离子激发器的 系列发生器。在低压和升温的情况下，等离子 发生器直接装在镀膜板中间发生反应。所用的 活性气体为硅烷SiH4和氨NH3。这些气体作 用于存储在硅片上的氮化硅。可以根据改变硅 烷对氨气的比率，来得到不同的折射指数。在 沉积工艺中，伴有大量的氢原子和氢离子的产 生，使得晶片的氢钝化性十分良好。
影响PECVD的工艺参量

（4） 反应气体（流量比，总流量） 反应气体为高纯氨、高纯氮气和高纯硅烷，主要反应气体是高纯氨气和高纯硅烷，氮 气主要用来调节系统的真空度和稀释尾气中的硅烷。PECVD工艺中使用的气体为高纯 和高纯 ，气体流量大约为667sccm，1333sccm。 从氮化硅（ ）分子式可知， / =（3×32）/（4×17）=1.4为理想的质量比，理想 的流量比为（1.4×0.599）/0.719=1.16。而在实际当中，硅烷的价格是较昂贵的， 因此在生产过程中，廉价的氨气适当过量以达到硅烷的较大利用率，而以总体的成本 最低，经济效益最高为目的。因此，流量比选择Si/N=1/2。在沉积过程中，如果硅烷 的量比率过大，反应不完全，则尾气中的硅烷含量高，过量的硅烷会与空气中的氧气 进行剧烈反应，有火焰和爆破声，对于生产操作不利，且也白白浪费硅烷，同样氨气 和氮气的过量也会造成浪费。因此流比的选择必须围绕较好的折射率和较佳的经济效 率来考虑。
PECVD设备结构
炉体：石英管、加热系统、冷却系统


石英管：炉体内有四根石英管，是镀膜的 作业区域，耐高温、防反应。 加热系统：位于石英管外，有五个温区。
PECVD设备结构
冷却系统： 是一套封闭的循环水系统，位于加热系统的金属 外壳，四进四出并有一个主管道，可适量调节流 量大小。 冷却系统的优点的资料的更改，工艺内容的更改，使用权限 的更改，LIFT位置的更改，CMS安区系统 （安装的感应 器将监控重要系统的运行情况，而一旦不受管的计算机的 控制，CMS将会发生作用，所有的错误信息也都会在 CIM上得以简洁的文本方式显示出来）的更改等。 Alarms：警报内容 Help:简要的说了一下解除警报以及其他方面的方法 CESAR:控制电脑，每一个系统都安装了CESAR控制电 脑及CESAR 控制软件，此控制电脑独立于主电脑系统中。
PECVD的原理
3SiH4+4NH3 → Si3N4+12H2↑

技术原理：是利用低温等离子体作能量源，样品置于低
气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体） 使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体 经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄 膜。
PECVD的原理及作用
影响PECVD的工艺参量

（3） 基板温度 用结晶理论进行解释的话：从理论上讲，完整晶体只有在0 K才是稳定的。根据某一确定温 度下，稳定状态取自由能最低的原则，单从熵考虑，不完整晶体更稳定，要想获得更完整的 结晶，希望在更低的温度下生成；但是若从生长过程考虑，若想获得更完整的结晶，必须在 接近平衡的条件下生成，这意味着温度越高越好。非平衡度大时，缺陷和不纯物的引入变得 十分显著。 从工艺上说，温度低可避免由于水蒸气造成的针孔，温度太低，沉积的薄膜质量无保证。高 温容易引起基板的变形和组织上的变化，会降低基板材料的机械性能；基板材料与膜层材料 在高温下会发生相互扩散，在界面处形成某些脆性相，从而削弱了两者之间的结合力。 因此在实际的生长过程中可综合考虑上述两个因素，选择合适的生长温度，使薄膜的结晶程 度达到最佳。本工艺中基片温度大约在400℃。 a. 淀积速率随衬底温度的增加略有上升，但变化不显著。由于PECVD工艺的反应动力来自 比衬底温度高10～1000倍的“电子温度”，因而衬底温度的变化对膜的生长速率影响不大。 b. 基板温度与膜应力的关系：从低温到高温，应力的变化趋势是从压应力变为张应力。一种 理论解释为：压应力是由于在膜的沉积过程中，到达膜表面的离子的横向移动的速率太小， 来不及到达其“正常”的晶格位置，被后来的离子覆盖，这样离子就相当于被阻塞在某一位 置，最终就会膨胀，形成压应力。张应力的形成是由于在膜的形成过程中，由于反应中间产 物的气化脱附，而参加淀积的原子，由于其迁移率不够大而来不及填充中间产物留下的空位， 最后形成的膜就会收缩，产生张应力。 针对这种理论，膜在生长过程中，到达膜表面的离子的横向移动速率正比于样品表面的温度， 样品的温度低，膜表面的离子的移动速率就相应趋小，而离子到达样品的速度主要决定于离 子的密度，决定于功率的大小，跟温度基本无关，这样，一方面外部离子不断地大量涌到样 品表面，另一方面，由于温度低，离子的横向迁移率小，离子来不及横向移到其“正常”的 晶格位置就被后来的离子覆盖，必然造成阻塞，成膜厚，阻塞处膨胀，形成压应力。 高温时，由于样品表面的温度比较高，吸附在表面的离子和它们生成的中间产物以及附属产 物等就比较容易脱附而逃离表面，返回到反应室中重新生成气体分子，被真空泵抽走，排出 反应室，结果在样品的表面产生较多的空位，最终，生成的膜中由于空位较多，就会引起膜 的收缩，从而易产生张应力。 c. 基板温度还与功率及 、 流量有关，后三者提高，则基板温度也要相应提高。