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1、学 海 无 涯 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、设备结构及其工 艺原理，根据多年对设备维护的经验， 介绍了等离子增强型化学气相淀积 （PECVD）设备的基本结构，总结了这类设备的常见故障及解决措
2、施。 1PECVD 的种类 射频增强等离子体化学气相淀积（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。 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 为反应气体，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
3、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，在实际应用中获得了更广泛的应用。 介质层阻挡放电增强化学气相淀积（DBD-PECVD） DBD-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。 微波电子回旋共振等离子体增强化学气相淀积（MWECR-PECVD） MWECR-PECVD 是利用电子在微波和磁场中的回旋共振效应，在真空条件下形 成高活性和高密度的等离子体进行气相化学反应。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
4、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成粒子的能量和生存寿命，从而对薄膜 的生成和膜表面的处理机制产生重大影响，并从根本上决定生成膜的结构、特性 和稳定性4。,1,学 海 无 涯 2PECVD 设备的基本结构 2.1PECVD 工艺的基本原理 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应和等离子体反应， 最终在样品表面形成固态薄膜。其工艺原理示意图如图 1 所示。,在反应过程中，反应气体从进
5、气口进入炉腔，逐渐扩散至样品表面，在射频源激 发的电场作用下，反应气体分解成电子、离子和活性基团等。这些分解物发生化 学反应，生成形成膜的初始成分和副反应物，这些生成物以化学键的形式吸附到 样品表面，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，各种副产物从膜的表面逐渐脱离，在真空泵的作用 下从出口排出。 2.2PECVD 设备的基本结构 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、系统安 全保护系统、计算机控制等部分组成。其设备结构框图如图 2 所示。,2,学 海 无 涯,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
6、泵、粗抽阀、前级阀、闸板阀、真空计等。 为了减少氮气、氧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 子泵进行抽气，干泵用于抽低真空，与常用的机械油泵相比，可以避免油泵中的 油气进入真空室污染基片。在干泵抽到一定压力以下后，打开闸板阀，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 的核心部 分。射频电源的作用是使反应气体离子化。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
7、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，除掉样品上的水蒸气等杂质，以提高薄膜 与样品的附着力。,3,学 海 无 涯 2.2.3 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安全保 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，反应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精确控制。 常见问题及影响工艺主要因素 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： 射频电源故障，检查射频源电源功率输出是否正常。 反应气体进气
8、量小，检查气体流量计是否正常，若正常，则加大进气量进 行试验。 腔体极板清洁度不够，用万用表测量腔体上下极板的对地电阻，正常值应 在数十兆欧以上，若异常，则清洁腔体极板。 射频匹配电路故障，检查射频源反射功率是否在正常值范围内，若异常， 则检查匹配电路中的电容和电感是否损坏。 真空度太差，检查腔体真空度是否正常。 3.1.2 辉光不稳 电源电流不稳，测量电源供电是否稳定。 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。 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 3.1.3 成膜质量差,4,学 海 无 涯 样片表面清洁度差，检查样品表面是否清洁。 工
9、艺腔体清洁度差，清洗工艺腔体。 样品温度异常，检查温控系统是否正常，校准测温热电偶。 膜淀积过程中压力异常，检查腔体真空系统漏率。 射频功率设置不合理，检查射频电源，调整设置功率。 3.1.4 淀积速率低 更多防水请访问纳米防水网 射频输入功率不合适，调整射频功率。 样品温度异常，检查冷却水流量及温度是否正常。 真空腔体压力低，调整工艺气体流量。 3.1.5 反应腔体压力不稳定 检查设备真空系统的波纹管是否有裂纹。 检查气体流量计是否正常。 手动检查蝶阀开关是否正常。 真空泵异常，用真空计测量真空泵的抽速是否正常。 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
10、反应室尺寸 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,5,学 海 无 涯 （2）极板间距和腔体气压：极板间距较大时，对衬底的损伤较小，但间距不宜 过大，否则会加重电场的边缘效应，影响淀积的均匀性。反应腔体的尺寸可以增 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较大。高频淀积 的薄膜，其均匀性明显好于低频，这时因为
11、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，而频率高时则边缘和中心区域 的差别会变小。 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，使淀积速率随功率直线上升，当功率增加到一 定程度，反应气体完全电离，自由基达到饱和，淀积速率则趋于稳定。 气压 形成等离子体时，气体压力过大，单位内的反应气体增加，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 离子体的聚合反应明显增强，导致生长网络
12、规则度下降，缺陷也会增加。 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表面悬挂键的补偿，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，高温增强了表面反应，改善了膜的成分。 4 结束语 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。,6,学 海 无 涯,参考文献： 1陈建国，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. 2H.Nakaya，M.Nishida，YTakeda， etal.PolycrystallineSiliconSolarCellsZ.1192，345-356. 陈萌炯.RF-PECVD 和 DBD-PECVD 制备 a-Si：H 薄膜的性能研究及其比较 D.浙江：浙江大学，2006. 刘国汉，丁毅，朱秀红，等.HW-MWECR-CVD 法制备氢化微晶硅薄膜及其微 结构研究J.物理学报，2002，55(11)：6147-6150.,7,
