PECVD原理和设备结构.ppt

PECVD的原理及设备结构 PECVD PlasmaEnhanceChemicalVapourDeposition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 PECVD的原理 工作原理 CentrothermPECVD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 PECVD的原理 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 3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2 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 PECVD的原理及作用 SINx薄膜 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 PECVD的原理 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 PECVD设备结构 晶片装载区炉体特气柜真空系统控制系统 PECVD设备结构示意图 晶片装载区 桨 LIFT 抽风系统 SLS系统 桨 由碳化硅材料制成 具有耐高温 防变形等性能 作用是将石墨舟放入或取出石英管 LIFT 机械臂系统 使舟在机械臂作用下在小车 桨 储存区之间互相移动 抽风系统 位于晶片装载区上方 初步的冷却石墨舟和一定程度的过滤残余气体SLS系统 软着落系统 控制桨的上下 移动范围在2 3厘米 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 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 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 特气柜 MFC气动阀MFC 气体流量计 NH3CF4SiH4O2N2 SiH41 8slmNH310 8slmCF43 6slmO23slmN215slm气动阀 之所以不用电磁阀是因为电磁阀在工作时容易产生火花 而气动阀可以最大程度的避免火花 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设备结构 PECVD设备结构 Setup 舟的资料的更改 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 判断PECVD的产出硅片的质量 亮点色斑 镀膜时间太短 水纹印 色斑 色差 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 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 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 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 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0K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 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 a 在流量不变的情况下 氮化硅膜的折射率随流量的增加而增大 而淀积速率却随着下降 由于流量增加 反应生成物中的含量增加 氮化硅呈富硅特性 则薄膜变得更为致密 故折射率变大 另一方面 大流量的使反应室内气体浓度增加 气体分子平均自由程变小 淀积到表面的反应生成物减少 导致淀积速率随流量增加反而减少 b 沉积氮化硅薄膜时 反应气体和的流量比是影响薄膜的成分和电学性能的重要因素 和的流量大小直接影响着薄膜中和N的含量 因此也就影响薄膜的性能和结构 流量增大使反应气体中的原子数增多 从而使薄膜中 N增大 当 N比超过0 8时 氮化硅薄膜富 因此薄膜的绝缘性能下降 当流量过小时 由于的减少薄膜富N 同样使薄膜的绝缘性能下降 为了获得生长速率适中以及均匀性好的薄膜 对于选定的高频电压 反应室气体压力必须是相应确定的 当然这应该是相对于一定的真空泵抽气速率而言 气体压力是进气总量与抽气速率动态平衡的结果 因而反应气体的流量除了要按一定的相互比例调节以保证淀积膜的化学计量比之外 其总流量也必须是确定的 流量过大会造成过量的沉积和气体的浪费 不足则会造成沉积量不够 沉积的膜较薄 流量过大或过小都会影响膜的质量 影响PECVD的工艺参量 5 反应腔的几何形状 体积反应腔的几何形状 体积影响真空泵的抽气速率 及最后达到的抽气压 影响工艺过程 6 电极空间早年的辉光放电器大多做成外电极的水平管式结构 这种结构无法得到均匀的电场 由于放电产物的分布决定于空间电场的分布 电场不均匀 长出的膜也就不可能均匀 因此 无法在大面积上淀积均匀膜 采用等间距的平板电容器式内电极结构 使电场分布均匀 就解决了这个问题 7 薄膜折射率工艺生长的氮化硅薄膜厚度一般为80nm 折射率为2 0 2 2之间 其光学厚度为n 80 2 0 2 2 160 176nm 可知对应吸收最强烈的光波长应为 160 176 4 640 704nm 地面太阳光谱能量的峰值在波长500nm 而硅太阳电池的相对响应峰值在波长800 900nm 故要求减反射膜对500 900nm的光有最佳减反射效果 此种厚度氮化硅薄膜对波长为500 900nm的光反射率相当低 最低值出现在700nm左右 减反射效果非常好 对于采用封装工艺的硅太阳电池组件来说 减反射膜的外界介质一般为硅橡胶 其折射率约为1 14 此种情况下 理论上最匹配的减反射膜折射率为 折射率的高低主要决定于膜中Si N比值 沉积温度低时 薄膜富Si则折射率高 随着温度的升高 Si N比值减少 薄膜的折射率减少 沉积温度升高 使得反应室中存在的少量氧气也参加反应 由于氧的电负性大于氮 故氧可代替薄膜中Si N键中氮的位置 导致薄膜中氧含量增加 使薄膜的折射率下降 但随着折射率的升高 减反射膜的消光系数也将升高 但这些光不能增加电池电流 所以折射率太高了不好 但是折射率如果太低会导致反射率升高 所以较优的减反射膜折射率应该控制在2 12左右 影响PECVD的工艺参量 8 抽气速度在气体压力维持一定的情况下 抽气速率越快气体滞留时间越短 如果抽速一定 则滞留时间不变 随着淀积次数的增加 机械泵抽气速率下降 维持规定的气体流量反应室气体压力会不断增高 而要保持气体压力不变则又必须不断减少流量 这不仅造成工艺操作难以掌握 而且技术指标也难以保证 因为虽然压力不变 但在低抽速小流量情况下 气体在反应室滞留时间增加 造成淀积速率上升 并且影响淀积均匀性 机械泵抽气速率下降的原因是由于随着工作时间的延续 泵体温度升高 即使采用风冷或水冷装置仍难以维持抽速不变 因为机械泵从反应室不断抽出的毕竟是250 以上温度的加热气体 解决这一问题可以考虑除了反应气体之外 另加一股调节用的氮气 每次淀积时保持有效反应气体流量不变而不断减少氮气来补偿抽气速率的降低 从而维持气体压力不变 可是如