等离子体增强化学气相沉积设备说明书.doc

M82200-3/UM型等离子体增强化学气相淀积设备使用说明书中国电子科技集团公司第四十八研究所目录1概述2结构特征与工作原理3主要性能指标4 安装与调试5 使用与操作6 常见故障分析与排除7 保养与维修8 安全防护及处理9 运输、贮存与开箱检查10 重量与外形安装尺寸11 文件资料1概述PECVD设备的特点1.1.1利用高频电源辉光放电产生等离子体对化学气相沉积过程施加影响的技术被称为等离子体增强CVD。电子和离子的密度达1091012个/cm3，平均电子能量可达110ev。1.1.2成膜过程在真空中进行，大约在5500Pa范围内。1.1.3由于等离子体存在，促进气体分子的分解、化合、激发和电离，促进反应活性基团的生成，从而降低沉积温度。PECVD在200500范围内成膜，远小于其它CVD在700950范围内成膜。1.1.4PECVD成膜均匀，尤其适合大面积沉积。1.1.5如果用于刻蚀可以刻蚀0.3m以下的线条。1.1.6由于在氨气压条件下，提高了活性基团的扩散能力，从而提高薄膜的生长速度，一般可达（30-300）nm/min以上。1.2 PECVD设备的主要用途1.2.1利用等离子体聚合法可以容易地形成与光的波长同等程度的膜厚。这样厚度的膜与光发生各种作用，具有光学功能性。即：具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用。由于这种性质的存在，低温沉积氮化硅减反射膜，以提高太阳能电池的光电转换效率。1.2.2用于集成光电子器件介质SiYNX膜的制备，如半导体集成电路的衬底绝缘膜、多层布线间绝缘膜以及表面纯化膜的生长。1.2.3在医用生体材料的表面改性，功能性薄膜的制备等。1.2.4在电子材料当中可制成无针孔的均一膜、网状膜、硬化膜、耐磨膜等。1.2.5在半导体工艺中不仅用于成膜，而且用于刻蚀，也是一个较为理想的设备，它可刻0.3m以下的线条。PECVD设备的品种规格C1M82200-1/UM （适用156156以下方片，70片/批，适合科研和教学用） C3 M82200-2/UM (156156以下方片，适合科研和教学以及小规模生产线用)C3 M82200-3/UM (156156以下方片，适合大规模生产线用)型号的组成及其意义M 8 2 2 0 0 3 / UM企业代号设计顺序号主参数（200基片）种类代号（等离子增强CVD）系列代号（薄膜设备）形式代号（沉积设备）使用环境及工作条件1.5.1环境温度251.5.2相对湿度75%1.5.3净化等级1000级10000级1.5.4电源三相五线，380V/50HZ，50KW/管1.5.5供水水压0.2MPa0.4MPa1.5.6供气SiH4 NH3 N2 O2 CF4五路气体，气压0.2MPa0.45MPa1.5.7配排风排毒装置1.5.8整机要有一条较理想的大地线（高频电源专用线）对环境及能源的影响PECVD设备本身对环境及能源没有任何影响，若用户采用不同的工艺，使用不同的气体可能对环境稍有影响，但由于用气量非常小，不会造成任何危害。安全警告如果违反操作程序，可能导致人身伤亡事故！本设备在设计过程中已充分地考虑了安全因素，只要用户不违反操作规程绝不会出现安全事故。唯一可能在工艺过程中使用易燃气体SiH4，气体源应远离操作台，工作场地禁止使用明火，工作人员禁止吸烟。所有气路管道不允许有任何泄漏点。2 结构特征与工作原理2.1总体结构共分六个部分，见图2-1气路单元（3）净化推舟（2）工艺管，电热炉（1）真空系统（6）电气总控（4）计算机控制系统（5）图2-1总体结构图2.2工作原理随着电子工业的发展，大规模集成电路（LSI）技术要求在数平方毫米大小的面积内载有几千、几万个功能，且必须保证其高度的可靠性。为了在这样微小的世界中创造出“微型巨人”，全世界进行了多种多样的技术革新，LSI的重要的工艺过程薄膜形成技术也在不断革新，利用等离子放电技术等离子体CVD技术就是其中之一。以高可靠性纯化技术被开发的等离子体CVD技术70年代以来已成为研究的热点，并将不断成长为一项成熟的技术。应用等离子CVD法形成的代表性材料是等离子体氮化硅膜（Si3N4）和等离子体氧化硅膜（SiO2或PSG）。它的生成温度比普通的化学气相沉积的膜温度要低得多，且性能优良。PECVD生成膜的反应过程是：200400 50Pa300PaSiH4 + NH3 Si3N4 + H23SiH4 + 4NH3 Si3N4 + 12H2但是并不是说此类设备完美无缺。此台PECVD设备，如果不根据设备的特性，摸索出一套成熟的工艺条件，膜的性质是不稳定的。如需要考虑的参数有：生成温度；生成气体比；生成压力；RF功率；排气速率；沉积速率。因为这些参数完全靠实践来掌握，理论只提供一个分析的基础。2.3主要部件的功能及其工作原理2.3.1电热炉（工艺管）电热炉是特制的高可靠性的发热体，是经过特殊工艺制成，它对恒温区的长度、精度以及稳定度提供了基础，是影响成膜速率和均匀性的必要条件之一。工艺管是引进美国的产品，具有口径大、壁厚均匀无气泡的优良性，它水平置于炉体的中央，两端配有密封法兰，可生产8英寸圆片、6英寸方片，同时经特殊磨口为真空密封提供可靠保证。2.3.2推舟系统推舟系统采用软着炉的方式，即将石墨舟放到反应管内部后，推舟机构将退出，自动门关上。载片舟是经特殊设计，在X轴、Y轴、Z轴三个方向可微调，再精加工而成。它直接影响到电场的分布、等离子的产生、气流的走向、膜的品质。成膜压力甚至气体的流量都与此结构有关。所以是本设备的核心部件。2.3.3气路单元气路单元是一个独立体，它的所有使用元器件都是进口产品，具有控制精确、动作可靠，布局合理，为安全生产提供一个先决条件。2.3.4电气总控及计算机控制本台设备计算机自动控制。装片取片由人工操作。同时有多种报警系统，如超温报警、停水报警、断偶报警等。提示：有关计算机操作系统另有说明书。2.3.5真空系统真空系统是本台设备的关键之一，它是由罗茨泵机组、电动调节阀、电磁挡板阀、压力传感器、真空管道等组成。注意：气路及真空系统应严格按操作说明进行，否则易燃易爆！3 主要性能指标3.1成膜种类氮化硅3.2装片尺寸125mm，156mm3.3装片量168片/批（125mm），144片/批（156mm）3.4成膜均匀性片内5% 片间6% 批间7%（膜厚1m内）3.5使用温度1505003.6恒温区长度及精度2/1200mm（500）3.7恒温区稳定度2/24H（500）3.8升温时间RT40050min3.9温度控制具有超温、断偶报警保护功能3.10系统极限真空5Pa3.11工作压力范围50 Pa300Pa3.12恢复真空时间AP10 Pa10min3.13系统漏气率停泵关阀后压力升率3 Pa /min3.14净化等级净化台100级（环境1000级）3.15自动控制方式计算机自动控制工艺过程，彩色汉字显示工艺参数和工艺流 程，并有故障诊断、报警和保护功能4 安装与调试4.1安装平面图（见附录）4.2安装4.2.1设备进入净化间前须清扫，擦干设备内外灰尘、污渍，工艺管、真空管道应按微电子规范进行清洁处理。警告在安装石英管时要特别小心，多人配合，一旦损坏石英管国内无法买到，进口周期35个月，而且特别昂贵！4.2.2设备进入净化间后按图4.1布局摆放好。先装电阻炉部分：炉体架装上地脚并调平稳，然后将炉体上架，再装工艺管，装工艺管时注意轻拿轻放，小心碰坏石英管。同时装石英管时在石英管下部垫上光滑的塑料布或其它光滑材料，以防划伤石英管。要从炉口放入向后推，千万不能从尾部向前推，以免碰坏石英管的真空密封磨口。如果要清洗石英管时，要反过来进行。两端法兰按水冷法兰、气路法兰顺序装配。4.2.3靠拢净化台，调地脚螺钉，高度与炉体架一致，连接好各种控制线，再装配推舟系统。在装配时要特别细心，防止错装漏装密封圈而影响真空系统。提示：在生产中经常要清洗石英管，均要拆卸推舟系统及法兰，所以操作工必须掌握推舟系统的装拆顺序及全套工具。4.2.4摆好真空机组，最好垫上一块橡皮，打上四个地脚螺钉，防止机组振动而造成工艺管损坏。用快卸卡箍管道连接好，再装上压力传感器等。提示：机组要经常性换油，5天换一次油。（干泵机组除外）4.2.5 气路由管道连接，将各路气分别对应连接，并按规定压力送入本机。警告停水时设备不允许升温！4.2.6 将设备排风口、排废口、泵组排气口与用户管道连接好，如果用户备有尾气处理装置，必须事先确认与本设备所用气体种类、流量的相容性及安全性。4.2.7 连接水路系统，最好有循环水装置，否则本机在工作时容易烧坏密封圈。4.2.8 接地将各机柜连接起来接入电网的零线。高频电源单独接一根大地线，要将地线埋入地下1.8米以上，并放入木炭、水、盐各3公斤。4.2.9 整机引入三相功率线，线径用35mm2的多股铜线。4.3调试前的检查4.3.1对水冷法兰通水，检查是否有漏水现象或水流是否畅通。4.3.2检查运动情况，首先检查步进电机前进后退是否反相，再检查到位是否停止，快慢是否可调，最后检查在运动过程中是否有卡壳现象。4.3.34.3.3检查照明灯经过运输是否损坏。4.3.4检查真空管道是否连接好，确认无漏气口。4.3.5检查电阻炉功率板、触发板各部位引线接头是否松动，瓷件是否损坏。4.3.6检查各种接插件、对接件是否有错。4.3.7检查各种开关是否处于“停电”或“关”状态。4.3.8检查热偶插入深度及正负极是否有错。4.4调试4.4.1在各种检查确认无误后整机上电，再各个控制单元分别通电检查仪表、按钮、电磁阀、风机、泵等在方向和对应关系上是否正常。在有关人员认可的情况下可开机运行。4.4.2首先是温控调试提示：温度检测必须在装石英管之前进行，否则无法测！ 当整机上电时，本机有黄、绿、红三色灯泡指示，然后按下“上电开关”，待两分钟后按炉体“加热”开关即可，记下各温区的升温电流的大小（用钳形表测量），并记下升温时间、到温时间。当各温区到达预计温度时，对两付温控仪表进行一次自整定，然后中间一块仪表再整定。待数分钟后若三个温区仪表显示非常平稳时，认为PID各个参数合适，若发现某个仪表不稳就再进行一次自整定。4.4.3粗拉恒温区 将测量热偶端点置于炉膛正中间，待数分钟后视测量仪表的mV值（要求是6位数字电压表测才能满足测量精度）。然后将此mV值对照热电偶分度表，换算出温度值，发现控温仪表显示值与实际值有偏差时，通过调节控温仪表修正“Pb值“得到校准。用此方法再测恒温区的两端点。经过2至3次的重复，将这3点调到满意的程度。最后将测量热偶置于恒温区的尾端，充分等待炉温的稳定，一般情况下mV表的显示值在1V范围内变化视为炉温的稳定。4.4.4精拉恒温区在4.4.3的基础上开始精拉恒温区，一般要求检测人员每隔35分钟测一个点，每点间距为50mm，然后找出最大值减去最小值再除以2，这就定义为恒温区正负温度值。恒温区精度定义：（测量最大值测量最小值）/24.4.5控温精度的测量控温精度被定义为在恒温区中某一点温度精度。通常是指在恒温区的中点随时间的测量。时间的长短按合同指标。这种方法目前是国内外通用的一种方法。具体测量方法是：在恒温区调好后，将测量热偶的一端置于炉膛正中点，待稳定后记录一次值，然后每隔10分钟记录一次，最长记录24小时共记录144次，将144次当中的最大值减去最小值再除以2即为控温精度的正负值。4.4.6真空调试步骤4.4.6.1上电见“常压”指示灯亮时步进电机前进，直至自动停止运行，这时用一张薄纸试端板是否压紧，根据需要调节推舟座，推舟座在X、Y、Z三个方向上均可调节。4.4.6.2开滑阀泵时气动蝶阀也自动打开。4.4.6.3打开慢抽，可听到电磁阀的响声，这时慢抽通道已被打开。4.4.6.4给电磁挡板阀加6.3公斤以下的压力，再打开主抽阀，待几秒钟后真空度急速下降，约10分钟就可至10Pa以下。4.4.6.5打开罗茨泵，在3分钟之内真空度即可到10Pa以下，甚至可抽到1Pa以下。4.4.6.6 在真空度到达1Pa以后，关掉主抽阀和慢抽阀，再停罗茨 泵后停滑阀泵。4.4.6.7 这时根据压力显示仪的压力变化，按时间计算出压升率应3Pa/min，否则按上例原则反复抽真空。4.4.7推舟调试4.4.7.1水平行程开关共三个，其用途分别是：“后退到位”为推舟后退停止的位置，此位置前后精确度要求不高。“缓冲位”提供水平推舟的增减速的位置，以及开始垂直升降的一个位置，此位置前后精确度要求不高。“前进到位”为提供前进到位信号，是石墨舟与电极连接杆相对接的一个位置，因此此位置要求精确。以上三个位置信号要求保证可靠，否则将导致损坏石英管或推舟系统的后果。4.4.7.2垂直行程开关为一个，为“下位”，提供垂直升降的最下位和给旋转编码器提供归零信号。此位置的确定，以推舟系统悬臂杆离石英管有一定安全距离为准，约5mm以上，同时悬臂杆要能顺利退出。此位置要求精确，否则导致损坏石英管。旋转编码器提供了垂直升降的“中位”和“上位”，“中位”和“上位”的相对点是“下位”，可以在软件里调整，一般不需调整。旋转编码器与丝杆的连接必须为十分可靠的连接，否则会损坏石英管。4.4.7.3汽缸有四个到位信号，“旋转关到位”、“旋转开到位”、“汽缸进到位”、“汽缸退到位”，以上四个信号必须可靠，否则会损坏石英管或石墨舟。4.4.7.4完整的“送片”动作的前提是“常压”、“后退到位”、“上位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”条件都满足时才能启动。如果有任何一个条件不满足，请“手动”让各个部件到达相应位置。4.4.7.5完整的“取片”动作前提是“常压”、“后退到位”、“下位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”条件都满足时才能启动。如果有任何一个条件不满足，请“手动”让各个部件到达相应位置。4.4.7.6 “手动”情况的各个分解动作请注意石英管与石墨舟的安全，其中“水平推舟”只会在“前进到位”和“后退到位”才会自行停止，在缓冲点不会自行停止。“垂直升降”只会在“下位”和“上位”自行停止，在中点不会自行停止。4.4.7.7悬臂杆调成水平的，而不是将石墨舟调成水平，这样更有利于减少由于悬臂杆上下变形引起的影响。4.4.7.8在每次设备重新上电时务必将推舟系统手动复原至“升降下位”和“推舟退到位”，其中操作一次“升降下位”是为了升降舟软件归零。4.4.7.9在“常压”指示灯亮时，推舟无任何卡壳现象，无任何异常声音即为正常。4.4.8高频电源调试合上电源开关预热15分钟，按下输出开关，视电流电压表正常即可。注：具体操作按高频电源说明书使用。5 使用与操作提示：使用前请仔细阅读温控仪表使用说明书；阅读计算机操作说明书；阅读电磁挡板阀及电子执行器的说明书；阅读本机的使用说明书；阅读真空机组的使用说明书。5.1使用前的准备5.1.1接通整机电源；5.1.2接通本机水路；5.1.3接通各路气路。若设备停止工作时，应该将反应管内部抽成真空，停止加热，其目的是为了防止真空管路过热，会使压力传感器严重零漂，影响压力测量。待温度低于250再停水，并关断NH3、SiH4等气体的手动阀。6 常见故障分析与排除由于本设备是台特殊、专业性很强的设备。它集机械、电子、高频、计算机、真空、气体、传动及温度控制为一体，如使用得当，经常维护，就不容易出故障。如不按使用说明书严格操作，可能会出错，严重时可能会损坏设备，甚至出现人身事故。常见故障分析与排除序号故障现象故障原因分析排除方法1温控仪显示H.H.-断偶接触不良补偿导线被损坏更换热偶检查接线端是否松动更换补偿导线2蜂鸣器叫超温或断偶报警停水报警如温控表没有信号输出，温度继续升高，一般是可控硅被击穿，更换可控硅芯子即可。打开水源，如无水应停机，否则会烧坏密封圈。3温度超温而蜂鸣器不叫消音按钮被误按下将消音开关复位4水平层流无风或风量小风机损坏高效过滤器老化更换风机更换高效过滤器5炉体某段不升温功率部件保险芯断可控硅开路更换保险芯更换可控硅6真空抽不上去工艺管前端密封不好工艺两端密封圈老化真空泵油污染严重调整推舟机构更换密封圈更换泵油（在太阳能电池行业泵油应常更换）7压控仪在抽真空过程中总处于报警状态，没有显示压力变送器电源未打开打开电源，若仍无输出，更换电源8所有开关都不灵而无法启动或中途突然停电急停开关被误操作旋起急停开关9照明灯不亮灯管老化更换灯管10机组声音异常(1)气压不够 (2)缺相立刻停机检查11在生产过程中发现压力突然过大，与上次压力不重复在修改参数时，参数不对检查参数是否正确12在自动程序中执行步慢抽时，慢抽阀未打开进舟时未完全到位，光电开关信号未给计算机。所以真空机组噪声大（1）采取跳上一步，再跳下一步即可。（2）如多次出现可调一下光电开关板的位置。13在自动程序中执行到恒压时，发现压力不正常可能某气源压力不够或没有气源（1） 向上跳步到恒温步。再检查原因 （2）退出14在放电过程中高频打不开或中途保护硅片短路，或电极接触不良引起高频电源保护按照正常程序对反应管反复抽真空后方可充气推舟，其理由是防止反应管内硅烷和氨气与空气反应，污染反应管及气路部分。警告当反应管内有硅烷及氨气时，严禁直接充氮推舟！7 保养与维修7.1工艺完成后，不继续做工艺时，保持工艺管内为真空状态，每天做工艺时可察看各真空压力表读数，以便工艺管密封是否良好。7.2对气路的保护。在做完工艺后，必须按说明书要求去操作，千万不要让工艺气体留在管路中。由于环境温度较高时，产生的反应物堵塞质量流量计。7.3为了保护罗茨泵机组的寿命，要经常更换机械泵油，只要油泵观察窗发现油黑了就必须更换。设备用在生产线上一般5天必须更换一次油。（干泵机组例外）7.4为了良好的工艺，优良的沉积膜，工艺管要定期进行酸洗，在生产线上至少一个月洗一次。7.5一个季度对设备进行一次性能的全面检查，检查各种功能是否正常可靠。7.6本设备必须有良好的工作环境，环境温度必须在20以下，由于SiH4的燃点非常低，在常温下会自燃，在28以上会发生反应。7.7罗茨泵的排风管道必须畅通，而且管路不能太长，否则由于排气不畅而发生爆鸣，严重时油泵观察窗会爆破。7.8 罗茨泵轴承加油嘴必须保持始终有油。8 安全防护及处理8.1为了保护设备安全运行而不受外界干扰，或高频电源不构成对其它电气的干扰，本机供电及接地线都要求分开走，不可相互交叉。8.2本机正在做工艺时，人体不得接近废气室，非本机操作人员不得接近本机。8.3如机械泵爆油时必须紧急停机。为防止机油燃烧必须有消防器材，操作人员应紧急处理而不得逃离现场。9 运输、贮存与开箱检查9.1 设备按部件用木箱包装，计算机、石英管、载片舟、真空泵、悬臂杆、高频电源等单独包装。9.2运输过程中注意防潮、防震、防碰撞。9.3严禁露天堆放、倒立放置。9.4包装箱运抵现场，按运输清单点数，确认是否有损坏现象。9.5开箱检查时，每一箱有清单进行复查。10 重量及外形安装尺寸10.1 本设备净重小于2吨。10.2 外形安装尺寸见附图或见平面安装图。11 文件资料11.1使用说明书1份11.2计算机控制系统使用说明书1份11.3电气图纸1份11.4温度控制仪使用说明书1份11.5压力控制仪使用说明书1份11.6高频电源使用说明书1份补充内容注意事项一.安全性 1.在“送片”、“取片”过程中严格仔细观察运动过程,不要让石墨舟碰到法兰.如发现情况异常,可按“急停”按钮中断推舟机构. 2.如果发生片子短路，跳出至第12步“抽空”，让其自动将石墨舟取出，提石墨舟至桌子上检查装片情况。二.故障排除 1.送片过程: A推进过程发现石墨舟有可能碰到法兰则按“急停”按扭或人为将杆子往上托起一点让石墨舟能顺利进入； B在退出过程中发现把石墨舟往外拉出则立即按“急停”按扭，并想办法将石墨舟拉到杆上，回到手动将石墨舟退出，重 新进到送片动作。 2.取片过程： 在退出时没将石墨舟带出则按“急停”按钮并想法将石墨舟拉到杆上退出。 三.上下两管错开通特气(否则NH3氨气流量不足)四.断水时将加热关闭，并保持反映室为真空状态，以免损坏真空系统。五.不要长时间让反应室暴露大气,建议总暴露时间不超过15分钟（其中包括送片和取片全过程），以免影响真空管路及测量系统。六.当炉门打开后，人员身体任何部位不要在炉门附近，以免由于某种原因炉门关闭而造成人员伤害。七.提取石墨舟时轻拿轻放，由于连接件为陶瓷杆，强度不是很高，所以要注意由于陶瓷杆断开而引起的损伤。八.如发现设备外围漏水等情况，必须先直接切断墙上总电源。各部件开启条件炉门开启前提条件：1、“常压”灯亮；2、“推舟退到位”亮；炉门关闭前提条件：1、“推舟退到位”亮；手动推舟运动的前提条件：1、炉门“旋转开到位”亮；2、炉门汽缸“退到位”亮；3、“常压”灯亮；送片运动的前提条件：1、炉门“退到位”亮；2、炉门汽缸“退到位”亮；3、“常压”灯亮；4、升降处于“上位”；5推舟处于“退到位”；取片运动的前提条件：1、炉门“退到位”亮；2、炉门汽缸“退到位”亮；3、“常压”灯亮；4、升降处于“下位”；5推舟处于“退到位”；慢抽开启前提条件：1、炉门“旋转关到位”亮；2、