PECVD原理及设备结构PPT课件

1、PECVD的原理和设备构造. PECVD:plasmaenhancechemicalvapourdeposition等离子体增强化学气相沉积等离子体：由于物质分子的热运动加剧，相互碰撞使瓦斯气体分子电离，这样的物质自由运动，成为由相互作用的电子、正络离子和中性粒子组成的混合物的一种形态， 该形态被称为等离子态第四状态，PECVD的原理，3，工作原理： Centrotherm PECVD系统是一系列利用平行板涂层舟皿和射频波等离子体激励器的发生器。 低压和升温时，等络离子发生器直接安装在镀板之间产生反应。 所使用的活性瓦斯气体为硅烷SiH4和阿摩尼亚NH3。 这些个的瓦斯气体作用于硅片上积蓄的氮

2、化硅。 通过改变硅烷相对于阿摩尼亚瓦斯气体的比率，可以得到不同的折光率。 在沉积工艺中，伴随大量氢原子和氢络离子的产生，晶片的氢钝化性十分良好。 PECVD的原理，4，技术原理：利用低温等离子体作为能量源，将样品在低气压下置于辉光放电的阴极上，用辉光放电(或另外加入发热体)将样品升温至规定温度后，流过适量的反应瓦斯气体，瓦斯气体经过一系列的化学反应和等离子体反应， 在样品表面形成固体薄膜，PECVD的原理、3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2、5、Si3N4的识别： Si3N4膜的颜色根据其厚度的变化而变化，其理想的厚度在7580nm之间，表面出现的颜色为藏蓝色， Si3N4膜的折光率为

3、2.si3n 4的优点：优异的表面钝化效果高的光学防反射性能(厚度折光率匹配)低温工艺(有效地降低成本)反应生成的h络离子钝化硅片表面PECVD的原理，8，Si3N4膜的作用：减少光反射：的良好折光率和厚度促进了太阳光的吸收。 抗氧化：结构致密地保证硅片氧化。 PECVD的原理，9，均匀性分析，管式PECVD系统因为其碳石墨舟的中间抽出，作为电极的一部分利用硅片， 辉光放电的特性是由硅片表面的集合组织化而生成的金字塔前端的状态影响等离子放电的现在的硅片的电导率的不同，是等离子场的均匀性管式PECVD的气流从石英管的端部导入，这也导致工艺瓦斯气体分布的不均匀。 晶圆装载区炉体特瓦斯气体罐真空系统

4、操纵系统，11，PECVD设备结构示意图，12桨：由碳化硅材料制成，具有耐高温、防变形等性能。 将黑金属铅舟放入石英管或取出的作用。 LIFT :小船通过机械手臂在轿车、桨和储藏区域之间移动的机械人系统。 吸引系统：位于晶圆加载区上方，初步的蒸发制冷黑金属铅舟与一定程度的过滤剩馀瓦斯气体SLS系统：软着地系统，控制翼上下，移动范围23厘米，PECVD设备结构，13，炉体：石英管、加热系统，蒸发制冷系统。石英管：炉体内有4根加热系统：位于石英管之外，5个、PECVD设备结构、14、PECVD设备结构、蒸发制冷系统：位于封闭的循环水系系统，加热系统金属壳，四进制四出，有主管道，可适量调节产水量大小

5、。蒸发制冷系统的优点：超净间没有消耗空气的不同管道间热干扰作用炉环境的温度没有被热风提升的空气运动(换气设备)，房间污染噪音级没有降低、 特气盘： MFC气控阀MFC :瓦斯气体产水量修正(n h3c f4si h4o2n2) SiH4.8sl mnh 310.8 SLM cf4.6slmo2s lmn 215 SLM气控阀：不使用电磁阀是因为电磁阀在工作时容易产生火花最大限度地避免了空气操作阀，PECVD设备构造，17，真空系真空泵：对每个石英管配置包含主泵和辅助泵的泵的定径套。 蝶形阀： PECVD设备结构，可根据需要控制阀门开关的大小，调节管内气压；18，操纵系统CMI:是由Centro

6、therm研制的操纵系统，其中包括Jobs (接口)、System (系统)在内的System Datalog:机器运行的每个步骤。PECVD解老虎钳结构、19、PECVD解老虎钳结构、Setup:船资料变更、程序内容变更、使用权限变更、LIFT位置变更、CMS感测器系统Alarms :警报内容Help:解除警报其他方法CESAR:控制器每个系统都安装有CESAR特罗尔计算机和CESAR特罗尔软件，该计算机特罗尔主计算机，20，PECVD生产硅片质量，亮点色斑，电镀时间太短，水纹印，色斑，色差，21， 影响PECVD的工艺残奥表，(1)工作频率、功率PECVD工艺采用微波生成等离子体实现氮化硅

7、的类似微波的工作频率是2.45GHz，功率范围是2600W3200W。 通过射频波电磁场激发，激活反应瓦斯气体，电离产生高能源电子和正负络离子，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，其功率和频率调整差，生长出有干扰作用条纹的薄膜，芯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。 薄膜由射频波堆积而成的薄膜具有抗拉应力，在次低频具有压缩应力。 大部分条件下，次低频氮化硅薄膜的沉积速率比射频波薄膜低，密度比射频波薄膜显着高。 在任何条件下沉积的氮化硅薄膜均具有优异的均匀性，相对来说，射频波薄膜的沉积均匀性优于次低频氮化硅薄膜。 在次低频，由于等离子体的分离

8、度高，络离子能带效应显着，有助于去除薄膜生长中结合弱的原子团，以及在氮化硅薄膜淀积中主要是含氢原子团，所以次低频氮化硅薄膜中的氢含量相对低，薄膜的沉积速率也低和云同步，络离子能带使薄膜致密化最近研究表明，氮化硅薄膜的腐蚀速率与应力关系密切，压应力对应低腐蚀速率，抗拉应力对应高腐蚀速率。 消除应力的一种方法是使两个频率不同的功率源交替工作，综合效果就是抵消压缩应力和扩张应力，形成无应力膜。 但是，该方法的局限性受到解老虎钳配置的限制，需要两个电源，应力的变化与两个频率的电源作用的比率关系敏感，压缩应力与抗拉应力之间存在突然变异，重现性难以把握，工艺条件难以控制。功率对薄膜沉积的影响，另一方面，在

9、PECVD工艺中，由于高能粒子的碰撞界面能级密度增加，引起基板特性的变化和衰退，特别是在反应初期越小越好。 功率小，可减轻高能粒子对基板表面的损伤，另一方面可降低沉积速率，容易控制反应，制备的薄膜均匀致密。 另一方面，功率过低则不利于堆积高品质的薄膜，而且功率过低则导致反应物的解离不完全，容易导致反应物的浪费。 因此，有必要根据堆积条件选择合适的功率范围。22、影响PECVD的工艺残奥表、(2)压力等离子体发生的重要条件之一是反应瓦斯气体必须在低真空下，而且只能在其真空度狭窄的范围内变动。 形成等离子体时，气体压强力过大，自由电子的平均自由程短，每次碰撞在射频波电场中被加速得到的能量小，电子活

10、化反应瓦斯气体分子的能力减弱，形成等离子体不是一盏茶。 真空度过高时，即使电子密度过低也同样不能引起辉光放电。 PECVD腔的压力约为0.12mbar，为低真空状态(10210-1Pa )，此时每立方厘米的瓦斯气体分子数为10161013个，瓦斯气体分子密度与大气时有很大差异，瓦斯气体中的粒子电荷因电场而产生瓦斯气体导电现象。 低压瓦斯气体在外加电场下容易形成辉光放电，电离反应瓦斯气体，产生等离子体，激活反应瓦斯气体化学基，引起化学气相反应。 工艺上：压力过低，生长薄膜沉积速率慢，薄膜折光率也低，压力过高，生长薄膜沉积速率快，片间均匀性差，容易产生干扰作用条纹。23、影响PECVD的工艺残奥表

11、，(3)衬底温度用晶体理论解释，理论上完整晶体仅稳定在0 K。 在某确定温度下，稳定状态基于自由能最低的原则，仅从熵来考虑时，不完全的结晶更稳定，为了得到更完全的结晶，优选在更低的温度下生成，但从生长过程来考虑时，为了得到更完全的结晶，在接近平衡的条件下生成如果非平衡度大，则缺陷和杂质的导入在一盏茶中变得显着。 在工艺上，温度过低可避免水蒸气造成的大头针孔，温度过低无法保证沉积薄膜的质量。 高温容易引起基板的变形和组织上的变化，降低基板材料的机械性能。基板材料和膜层材料在高温下相互扩散，在界面上形成某种脆性相，减弱两者之间的结合力。 因此，可以综合考虑实际生长过程中这些个的2个因素，选择适当的

12、生长温度，使薄膜的结晶化程度达到最佳。 本工序中的基板温度约为400。 a .沉积速率随基板温度的增加而稍微上升，但变化不显着。 由于PECVD工艺的反应动力来自比衬底温度高101000倍的“电子温度”，衬底温度的变化对膜的生长速度影响不大。 b .基板温度和膜应力的关系：从低温到高温，应力的变化趋势从压缩应力变化为抗拉应力。 一个理论相当于，压缩应力在膜的堆积过程中，到达膜表面的络离子的横向移动的速度过小，不能到达其“正常”的晶格位置，被之后的络离子复盖，络离子堵塞在某个位置，最终膨胀，形成压缩应力。 这是因为，抗拉应力的形成是在膜的形成过程中，由于反应中间产物的气化解吸附而参加堆积的原子，

13、由于其迁移率不一盏茶，因此无法填充残留有中间产物的空位，最终形成的膜收缩，产生抗拉应力。与此相对，在膜的生长过程中，到达膜表面的络离子的横向移动速度与试样表面的温度成比例，如果试样的温度低，则膜表面的络离子的移动速度与之相应地变小，但络离子到达试样的速度主要由络离子的密度决定，功率的大小几乎没有关系， 另一方面，在外部络离子不断大量地被挤出到试样表面的高温时，由于试样表面的温度比较高，因此吸附在表面的络离子和它们生成的中间生成物及附属生成物等比较容易脱离而从表面逃走，返回反应室而再次生成瓦斯气体分子，被真空泵抽出而将反应室排出， 样品的表面产生很多空位，最终生成的膜由于空位多引起膜的收缩，容易

14、产生抗拉应力的c .基板温度与功率及产水量也有关，如果后三者变高，则基板温度也相应地变高。24、影响PECVD的工艺残奥表，(4)反应瓦斯气体(产水量比，总产水量)反应瓦斯气体为高纯度阿摩尼亚、高纯度氮气瓦斯气体和高纯度硅烷，主要反应瓦斯气体为高纯度氨气和高纯度硅烷，氮气主要用于调节系统的真空度和稀释气体中的硅烷。 PECVD工艺中使用的瓦斯气体为高纯度和高纯度，瓦斯气体产水量约为667sccm、1333sccm。 从氮化硅元素()分子式可知，/=(332)/(417)=1.4是理想的质量比，理想的产水量比为(1.40.599)/0.719=1.16。 但是，实际上，由于硅烷的价格比较昂贵，在

15、生产过程中，廉价的阿摩尼亚瓦斯气体对于实现硅烷的较大利用率来说是适当过剩的，其目的是总体成本最低，经济效益最高。 因此，产水量比选择Si/N=1/2。 在沉积过程中，如果硅烷的量比例过大、反应不完全，则排瓦斯气体中的硅烷含量高，过剩的硅烷与空气中的氧发生剧烈反应，有火焰和破裂音，不利于生产操作，又浪费了硅烷，同样也浪费了阿摩尼亚和氮的过剩。 因此，流比的选择必须以折光率高、经济效率高为中心来考虑。 a .在产水量不变的情况下，氮化硅膜的折光率随产水量增加而增大，沉积速率降低。 由于产水量的增加，反应生成物中的含量增加，若氮化硅元素显示富硅的特性，则由于薄膜变得更致密，因此折光率变大，另一方面，

16、大产水量的增加反应室内的瓦斯气体浓度，瓦斯气体分子的平均自由程变小，在表面堆积的反应生成物减少，随着产水量的增加，堆积速度反而减少。 b .沉积氮化硅薄膜时，与反应瓦斯气体的产水量比是影响薄膜成分和电学性能的重要因素，和的产水量大小直接影响薄膜中和n的含量，也影响薄膜的性能和结构。 如果产水量增大，反应瓦斯气体中的原子数变多，薄膜中的/N增大，如果/N比超过0.8，由于氮化硅薄膜变得丰富，薄膜的绝缘性能降低。 如果产水量过小，由于的减少薄膜变得富n，同样薄膜的绝缘性能降低。 为了得到生长速度适中、均匀性好的薄膜，反应室的气体压强力必须与所选的射频波电压相适应。 当然，这是相对于一定的真空泵的排气速度，气体压强力是吸气总量和排气速度动态平衡的结果。 因此，反应瓦斯气体的产水量除了以一定的相互比例调节以保证沉积膜的化学计算比外，还必须确定其总产水量。 产水量过大会导致过度沉积和瓦斯气体浪费，不足会导致沉积量不足，沉积膜薄，产水量过大或过小会影响膜质量。25、影响PECVD的工艺残奥表、(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真空速度，并影响工艺。(6)电极空间早期的辉光放电器大多为