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CVD制程工艺及设备介绍 2014年05月10日 主要内容 1 PECVD制程工艺介绍 2 PECVD设备介绍 PECVD制程工艺介绍 1 TFT LCD基本概念 2 CVD工程目的及原理介绍 3 PECVD设备及反应原理 4 工艺参数及检查项目 TFT LCD基本概念 ThinFilmTransistorLiquidCrystalDisplay薄膜晶体管液晶显示器ThinFilm 薄膜 膜厚在um 10 6m 级以下Transistor 电晶体 固态半导体元件 作为一种可变开关 基於输入的电压可控制输出的电流LiquidCrystal 液晶 不同轴向透光性不同 具有依照电场方向旋转排列功能ThinFilmTransistor Controlthepixelsignalon offLiquidCrystal Controlthelightpolarization 黑矩阵 背光源 结构图 TFT LCD名词解释 分辨率 DisplayResolution 显示器上水平方向和垂直方向上相素 Pixel 的数目 注 一个相素有R G B三个子相素 Sub Pixel 对比度 ContrastRatio 显示器最大亮度值 全白 与最小亮度值 全黑 之比值 一般TFT LCD的对比值为200 1至400 1 视角 ViewingAngle 在大角度观看的情况下 显示器亮暗对比变差会使画面失真 而在可接受的观测角度范围就称为视角 反应时间 ResponseTime 从输入信号到输出影像所经历的时间 一般液晶显示器反应时间为20 30毫秒 标准电影格式每画面为40毫秒 9 TFT基本概念 CVD工程在TFT流程中的作用 CVD工程在TFT流程中的作用 TFT等效电路 CVD各层膜的用途及特性要求 TFT断面图 CVD工程在TFT流程中的作用 CVD原理介绍 CVD ChemicalVaporDeposition 化学气相沉积借由气体混合物发生的化学反应 包括利用热能 等离子体 Plasma 或紫外光 UV 照射等方式 在基板 Substrate 表面上沉积一层固态化合物的过程 关键点经由化学反应或热分解薄膜的材料源由外加气体供给制程反应物必须为气相的形式 几种常见CVD比较 PECVD反应原理 Plasma的概念 通常被视为物质除固态 液态 气态之外存在的第四种形态 它是一种中性 高能量 离子化的气体 由是大量的带电的正粒子 负粒子 其中包括正离子 负离子 电子 自由基和各种活性基团等 组成的集合体 其中正电荷和负电荷的电量相等 故称等离子体 Plasma 等离子体是宇宙中存在最广泛的一种物态 目前观测到的宇宙物质中 99 都是等离子体 但分布的范围很稀薄 注意点非束缚性 异类带电粒子之间相互 自由 等离子体的基本粒子元是带正负电荷的粒子 电子 离子 而不是其结合体 粒子与电场的不可分割性 等离子体中粒子的运动与电场 外场以及粒子产生的自洽场 的运动紧密耦合 不可分割 集体效应起主导作用 等离子体中相互作用的电磁力是长程的库仑力 Plasma产生原理 在气压恒定的条件下 对气体增加能量 热能 电能等 当气体中的温度足够高时 气体中的分子就会分解为原子气 进一步升高温度 原子就会分解为带电的自由离子 电子和正离子 此时气体进入等离子体态 Plasma包含neutralgasatomsormoleculesionsfreeradicalsElectronsphotons 人为产生等离子体的主要方法 其中辉光放电 GlowDischarge 所产生的等离子体在薄膜材料的制备技术中得到了非常广泛的应用 Sputter和CVD设备采用的正是辉光放电来产生等离子体 等离子体 Plasma 形成中电子碰撞引发的过程 PECVD原理 反应气体在高温和高频射频电源作用下形成等离子体 整体呈现电中性 等离子体中含有正离子 负离子 自由基以及活性基等 这些活性基团通过化学反应和吸附结合作用 形成固体化合物的过程 PECVD反应示意图 1 电子和反应气体发生碰撞 产生大量的活性基 2 活性基被吸附在基板上 进行表面反应 3 被吸附的原子在自身动能和基板温度的作用下 在基板表面迁移 选择能量最低的点堆积下来 4 同时 基板上的原子不断脱离周围原子的束缚 进入等离子体气氛中参与化学反应 达到动态的平衡 5 不断地补充原料气体 使原子沉积速率大于原子逃逸速率 薄膜持续生长 6 二次生成物和未反应的气体会经排气口排出 PECVD反应过程 PECVDProcessParameter Gasflowrate SiH4 NH3 H2 PH31 H2 N2 Ar NF3 ChamberPressure pumpingspeed throttlevalveposition RFPowerSubstratetemperatureElectrodespacing PECVDFilmsforTFT a Si SiH4 H2 SiH4 H2 a Si HN a Si SiH4 H2 PH31 H2 SiH4 H2 PH3 N a Si HSiNx SiH4 NH3 N2 SiH4 NH3 N2 SiNx H Lowerprocesstemperature 300 450 forglasssubstratePlasmaassistLessglassdamageBetterthicknessuniformityforlargeareadepositionmassproductionbylargeareasubstrates WhyPECVDforTFT CVD工程使用的气体 气体的性质 物理和化学性质 纯度等需考虑 膜质确认的目的维持品质 如TFT特性 确认装置的状态 如MFC RF 真空计是否异常 膜质及影响膜质的参数 影响膜质的工艺参数 工艺参数及检查项目 工艺参数及检查项目 工程管理 25 PECVD设备简介 1 CVD设备主机台AKT25K 25KAX 2 安全方面介绍 MainframeStructure MainframeStructure DDSL TransferChamber ProcessChamber MainframeStructure DDSL全称为DoubleDualSlotLoadLock 也可以直接称之为loadlock 它是为进入的Substrate的降压和为已镀膜的Substrate降温 侧面图 DDSL内玻璃位置调节功能 DDSL的工作原理 SubstrateLoad 送片时 ATMRobot将玻璃放到DDSL的Inputplatepin上 这时coolingplate上升 Actuator将pinplate上的Alignment顶起 固定住玻璃 然后coolingplate下降 回到原来位置 通入N2作用是Vent SubstrateUnload 取片时 T CRobot将玻璃放到coolingplate的Liftpin上 然后coolingplate上升 贴近玻璃表面 给玻璃降温 之后回到原来位置 四个位置 Load Robot刚进入Loadlock时的位置Exchange Robot将玻璃放在Pin时的位置Cool 玻璃从T C到loadlock时 coolingplate上升后的停止位置Clamp 玻璃从ATMRobot到loadlock后 随coolingplates上升 Actuator推动ClampingMechanism夹紧玻璃时的位置 Transferchamber Transferchamber的作用在真空的环境下完成真空机械手臂从DDSL取片并将其放入到Processchamber中 并将Processchamber中镀膜完成的基板取出放入DDSL中 4个viewport 用来观察基板的状态 位置是否放好 12个sensor 用来侦测是否有破片 外部结构 内部结构 SubstrateSensor AKT25KAX TCEndEffectorPad Pad作用 通过静摩擦来固定基板 采用四根叉子保证了基板的平稳 采用碳素钢增加了硬度 减少了基板和叉子的下垂量 有效地利用反应室的空间 3层的pad采用表面凸起的类型 这样有利于增加pad和玻璃基板的接触面积 加大摩擦力 延长了pad的使用寿命 PAS层的pad则采用表面是网状的pad 此方法是通过减少接触面积达到防止静电的目的 因为如果产生了静电会破坏N 层膜 PadImprovement AKT25K与25KAX的不同 39 Processchamber Processchamber简称为PC 为CVD机台的成膜制程腔室 AKT 25K每个机台有4个PC 而AKT 25KAX每个机台有5个PC ProcessChamber的构成 P CChamberlid 42 Diffuser 上电极 P CChamberlid 气体通过BafflePlate向diffuser扩散 起均匀分布作用 BafflePlate GasInlet BackingPlate LidFrame RFMatchBox 外部结构 匹配原理 R 负载电阻 阻抗 r 电源的内阻 阻抗 当电阻R r时 负载R吸收的能量最大 即RF有效输出功率最大 射频电源的输出阻抗通常与输出电缆的特征阻抗相同 设备负载的阻抗可表示为Z R jX 要使负载与电缆的特性阻抗相匹配 就需要加匹配网络 使得电源的输出功率全部加到负载上 而无反射功率或反射功率很小 RPSUnit RPSC的清洗流程 RPSUnit结构 4000Hz 6500W ProcessChamberLid各部件作用 P CChamberBody Susceptor 下电极 Susceptor是chamberbody的重要组成部分 主要是在成膜过程中承载基板 Vacuum ThrottleValve 气体管道Valve PCBody部件 ThrottleValve 主要作用是通过调节角度控制腔室内压力 VacuumValve 控制腔室内是否抽真空 49 P CChamberbody部件 P CChamberbody部件 CeramicShaft SusceptorSupportPlate 定位孔 P CChamberbody部件 P CChamberbase SlitValve PCVacuumGauge 较大的VacuumGauge范围是0 001Torr到10Torr 精确度高且敏感 较小的那个是0 1到1000Torr 且二者之间有一个Isolationvalve 隔离阀 20TorrSensor 传感器 是用来检测腔内压力 当腔内压力小于20Torr时 才能把压力值反映到机台控制电路板上 进而打开控制气体的阀门 才会使制程气体流入到腔室 也就是相当于联动装置 55 GaspanelandMainframeControlTowerBox Gaspanel气体从这里分开到各chamber Mainframecontroltower为机台提供440V和208V电源 56 Remotesystem RFGenerator RFGenerator T Cpump Airtank Manifold Localscrubber P CpumpD P CpumpA P CpumpE RemoteACPowerBox Heatexchanger P CpumpC ACPowerControlTower L Lpump Remotesystem HeatExchanger为MatchBox和processchamber供DIWater RFGenerator为Processchamber提供RFenergy Airtank储存气体给机台的气动阀供气 RemoteACPowerBox为机台提供AC电源 ProcessChamberPump为ProcessChamber抽真空 A400BP和AAS200WN的组合 63 L LPump为Loadlock抽真空 共有五个单体组合而成 AA201BP两台 A25S三台 DDSLpump实物图 T CPump为TransferChamber抽真空 所用型号为A200W BurnerCVD的尾气处理装置 主要是将制程残气燃烧处理掉 67 CVD安全方面的介绍1 高温CVD机台是高温机台 P