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PECVD技术培训

PECVD定义

PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) 是指等离子体增强化学的气相沉积法,是借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离,在局部形成等离子体,而等离子体化学活性很强,很容易发生反应,在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行,利用了等离子体的活性来促进反应,因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。


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,这样物质就会变成自由运动并由相互作用的正离子、电子和中性粒子组成的混合物。


PECVD优点

基本温度低;沉积速率快;成膜质量好,针孔较少,不易龟裂。


PECVD缺点

1.设备投资大、成本高,对气体的纯度要求高;

2.涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害;

3.对小孔孔径内表面难以涂层等;

4.沉积之后产生的尾气不易处理。


PECVD分类

1.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。

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子温度更低、密度更大,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。

3.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。

4.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。


PECVD基本结构

1.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.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。

(1)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。


(2)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)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。


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

3.1.1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)反应气体进气量小,检查气体流量计是否正常,若正常,则加大进气量进行试验。

(3)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。

(4)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。

(5)真空度太差,检查腔体真空度是否正常。

3.1.2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

3.1.3成膜质量差

(1)样片表面清洁度差,检查样品表面是否清洁。

(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,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

(1)射频输入功率不合适,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。

3.1.5反应腔体压力不稳定

(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:

3.2.1极板间距和反应室尺寸

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

(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。

3.2.2射频电源的工作频率

射频PECVD通常采用50kHz~13.56MHz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。

3.2.3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。

3.2.4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,导致生长网络规则度下降,缺陷也会增加。

3.2.5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。


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