PECVD原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)PPT課件

1、1,PECVD的原理及設(shè)備結(jié)構(gòu),2,PECVD： Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 等離子體：由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣的物質(zhì)就會(huì)變成自由運(yùn)動(dòng)并由相互作用的電子、正離子和中性粒子組成混合物的一種形態(tài)，這種形態(tài)就稱為等離子態(tài)即第四態(tài).,PECVD的原理,3,工作原理：Centrotherm PECVD 系統(tǒng)是一組利用平行板鍍膜舟和高頻等離子激發(fā)器的系列發(fā)生器。在低壓和升溫的情況下，等離子發(fā)生器直接裝在鍍膜板中間發(fā)生反應(yīng)。所用的活性氣體為硅烷SiH4和氨NH3。這些氣體作用于存儲(chǔ)在硅片上

2、的氮化硅?？梢愿鶕?jù)改變硅烷對(duì)氨氣的比率，來得到不同的折射指數(shù)。在沉積工藝中，伴有大量的氫原子和氫離子的產(chǎn)生，使得晶片的氫鈍化性十分良好。,PECVD的原理,4,技術(shù)原理：是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電（或另加發(fā)熱體）使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。,PECVD的原理,3SiH4+4NH3 Si3N4+12H2,5,Si3N4的認(rèn)識(shí): Si3N4膜的顏色隨著它的厚度的變化而變化，其理想的厚度是7580nm之間，表面呈現(xiàn)的顏色是深藍(lán)色，Si3N4膜的折射率在2.02.5之間為最佳

3、。 Si3N4的優(yōu)點(diǎn)： 優(yōu)良的表面鈍化效果高效的光學(xué)減反射性能（厚度折射率匹配）低溫工藝（有效降低成本） 反應(yīng)生成的H離子對(duì)硅片表面進(jìn)行鈍化.,PECVD的原理及作用,6,SINx薄膜,7,物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)： 結(jié)構(gòu)致密，硬度大 能抵御堿、金屬離子的侵蝕 介電強(qiáng)度高 耐濕性好,PECVD的原理,8,Si3N4膜的作用: 減少光的反射:良好的折射率和厚度可以促進(jìn)太陽光的吸收。 防氧化:結(jié)構(gòu)致密保證硅片不被氧化。,PECVD的原理,9,均勻性分析,管式PECVD系統(tǒng)由于其石墨舟中間鏤空，因此利用了硅片作為電極的一部分， 因此輝光放電的特性就與硅片表面的特性有了一定的關(guān)系，比如硅片表面織構(gòu)化所生成的

4、金子塔尖端的狀態(tài)就對(duì)等離子體放電產(chǎn)生影響，而目前硅片的電導(dǎo)率的不同 也影響到等離子場的均勻性 管式PECVD的氣流是從石英管一端引入，這樣也會(huì)造成工藝氣體分布的不均勻,10,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),晶片裝載區(qū) 爐體 特氣柜 真空系統(tǒng) 控制系統(tǒng),11,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖,12,晶片裝載區(qū)：槳、LIFT、抽風(fēng)系統(tǒng)、SLS系統(tǒng)。 槳：由碳化硅材料制成，具有耐高溫、防變形等 性能。作用是將石墨舟放入或取出石英管。 LIFT：機(jī)械臂系統(tǒng)，使舟在機(jī)械臂作用下在小 車、槳、儲(chǔ)存區(qū)之間互相移動(dòng)。 抽風(fēng)系統(tǒng)：位于晶片裝載區(qū)上方，初步的冷卻石墨舟和一定程度的過濾殘余氣體 SLS系統(tǒng)：軟著落系統(tǒng)，控制槳的上下，移

5、動(dòng)范圍在23厘米,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),13,爐體：石英管、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng) 石英管：爐體內(nèi)有四根石英管，是鍍膜的作業(yè)區(qū)域，耐高溫、防反應(yīng)。 加熱系統(tǒng)：位于石英管外，有五個(gè)溫區(qū)。,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),14,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),冷卻系統(tǒng)： 是一套封閉的循環(huán)水系統(tǒng)，位于加熱系統(tǒng)的金屬外殼，四進(jìn)四出并有一個(gè)主管道，可適量調(diào)節(jié)流量大小。 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn): 沒有消耗凈室空氣 不同管間無熱干涉 爐環(huán)境的溫度沒有被熱空氣所提升 空氣運(yùn)動(dòng)（通風(fēng)裝置）沒有使房間污染 噪音水平低,15,冷卻系統(tǒng)示意圖,16,特氣柜：MFC 氣動(dòng)閥 MFC：氣體流量計(jì)（NH3 CF4 SiH4 O2 N2） SiH4 1.8 sl

6、m NH3 10.8 slm CF4 3.6 slm O2 3 slm N2 15 slm 氣動(dòng)閥：之所以不用電磁閥是因?yàn)殡姶砰y在工作時(shí)容易產(chǎn)生火花，而氣動(dòng)閥可以最大程度的避免火花。,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),17,真空系統(tǒng) 真空泵：每一根石英管配置一組泵，包括主泵和輔助泵。 蝶閥：可以根據(jù)要求控制閥門的開關(guān)的大小，來調(diào)節(jié)管內(nèi)氣壓的,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),18,控制系統(tǒng) CMI:是 Centrotherm 研發(fā)的一個(gè)控制系統(tǒng)，其中界面包括 Jobs（界面） 、System（系統(tǒng)）、Catalog（目錄）、Setup（軟件）、Alarms（報(bào)警）、Help（幫助）. Jobs:機(jī)器的工作狀態(tài)。 Syst

7、em:四根管子的工作狀態(tài)，舟的狀態(tài)以及手動(dòng)操作機(jī)器臂的內(nèi)容。 Datalog:機(jī)器運(yùn)行的每一步。,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),19,PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu),Setup: 舟的資料的更改，工藝內(nèi)容的更改，使用權(quán)限 的更改，LIFT位置的更改，CMS安區(qū)系統(tǒng) （安裝的感應(yīng)器將監(jiān)控重要系統(tǒng)的運(yùn)行情況，而一旦不受管的計(jì)算機(jī)的控制，CMS將會(huì)發(fā)生作用，所有的錯(cuò)誤信息也都會(huì)在CIM上得以簡潔的文本方式顯示出來）的更改等。 Alarms：警報(bào)內(nèi)容 Help:簡要的說了一下解除警報(bào)以及其他方面的方法 CESAR:控制電腦，每一個(gè)系統(tǒng)都安裝了CESAR控制電腦及CESAR 控制軟件，此控制電腦獨(dú)立于主電腦系統(tǒng)中。,20,判

8、斷PECVD 的產(chǎn)出硅片的質(zhì)量,亮點(diǎn)色斑,鍍膜時(shí)間太短,水紋印,色斑,色差,21,影響PECVD的工藝參量,（1）工作頻率、功率PECVD工藝是利用微波產(chǎn)生等離子體實(shí)現(xiàn)氮化硅薄膜沉積。微波一般工作頻率為2.45GHz，功率范圍為2600W3200W。高頻電磁場激勵(lì)下，反應(yīng)氣體激活，電離產(chǎn)生高能電子和正負(fù)離子，同時(shí)發(fā)生化學(xué)沉積反應(yīng)。功率，頻率是影響氮化硅薄膜生長的重要因素，其功率和頻率調(diào)整不好，會(huì)生長一些有干涉條紋的薄膜，片內(nèi)薄膜的均勻性非常差。. 工作頻率是影響薄膜應(yīng)力的重要因素。薄膜在高頻下沉積的薄膜具有張應(yīng)力，而在低頻下具有壓應(yīng)力。絕大多數(shù)條件下，低頻氮化硅薄膜的沉積速率低于高頻率薄膜，而

9、密度明顯高于高頻薄膜。所有條件下沉積的氮化硅薄膜都具有較好的均勻性，相對(duì)來說，高頻薄膜的沉積均勻性優(yōu)于低頻氮化硅薄膜。在低頻下等離子體的離化度較高，離子轟擊效應(yīng)明顯，因此有助于去除薄膜生長中的一些結(jié)合較弱的原子團(tuán)，在氮化硅薄膜沉積中，主要是一些含氫的原子團(tuán)，因此，低頻氮化硅薄膜中的氫含量相對(duì)較低，薄膜的沉積速率也較低，同時(shí)，離子轟擊使薄膜致密化，使薄膜密度較大并表現(xiàn)出壓應(yīng)力。在高頻下，由于離子轟擊作用較弱，薄膜表現(xiàn)為張應(yīng)力。近期的研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅薄膜的腐蝕速率與應(yīng)力有密切的關(guān)系，壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)于較低的腐蝕速率，而張應(yīng)力對(duì)應(yīng)于較高的腐蝕速率。（消除應(yīng)力的一種方法是采用兩套頻率不同的功率源交替工作，使

10、總的效果為壓縮應(yīng)力和舒張應(yīng)力相互抵消，從而形成無應(yīng)力膜。但此方法局限性在于它受設(shè)備配置的限制，必須有兩套功率源；另外應(yīng)力的變化跟兩個(gè)頻率功率源作用的比率的關(guān)系很敏感，壓應(yīng)力和張應(yīng)力之間有一個(gè)突變，重復(fù)性不易掌握，工藝條件難以控制）。. 功率對(duì)薄膜沉積的影響為：一方面，在PECVD工藝中，由于高能粒子的轟擊將使界面態(tài)密度增加，引起基片特性發(fā)生變化或衰退，特別是在反應(yīng)初期，故希望功率越小越好。功率小，一方面可以減輕高能粒子對(duì)基片表面的損傷，另一方面可以降低淀積速率，使得反應(yīng)易于控制，制備的薄膜均勻，致密。另一方面，功率太低時(shí)不利于沉積出高質(zhì)量的薄膜，且由于功率太低，反應(yīng)物離解不完全，容易造成反應(yīng)物

11、浪費(fèi)。因此，根據(jù)沉積條件，需要選擇合適的功率范圍。,22,影響PECVD的工藝參量,（2）壓力等離子體產(chǎn)生的一個(gè)重要條件是：反應(yīng)氣體必須處于低真空下，而且其真空度只允許在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)變動(dòng)。形成等離子體時(shí)，氣體壓力過大自由電子的平均自由程很短，每次碰撞在高頻電場中得到加速而獲得的能量很小，削弱了電子激活反應(yīng)氣體分子的能力，甚至根本不足以激發(fā)形成等離子體；而真空度過高，電子密度太低同樣也無法產(chǎn)生輝光放電。PECVD腔體壓強(qiáng)大約是0.12mbar，屬于低真空狀態(tài)（10210-1Pa），此時(shí)每立方厘米內(nèi)的氣體分子數(shù)為10161013個(gè)，氣體分子密度與大氣時(shí)有很大差別，氣體中的帶電粒子在電場作用下，

12、會(huì)產(chǎn)生氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。低壓氣體在外加電場下容易形成輝光放電，電離反應(yīng)氣體，產(chǎn)生等離子體，激活反應(yīng)氣體基團(tuán)，發(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)。工藝上：壓強(qiáng)太低，生長薄膜的沉積速率較慢，薄膜的折射率也較低；壓強(qiáng)太高，生長薄膜的沉積速率較快，片之間的均勻性較差，容易有干涉條紋產(chǎn)生。,23,影響PECVD的工藝參量,（3）基板溫度用結(jié)晶理論進(jìn)行解釋的話：從理論上講，完整晶體只有在0 K才是穩(wěn)定的。根據(jù)某一確定溫度下，穩(wěn)定狀態(tài)取自由能最低的原則，單從熵考慮，不完整晶體更穩(wěn)定，要想獲得更完整的結(jié)晶，希望在更低的溫度下生成；但是若從生長過程考慮，若想獲得更完整的結(jié)晶，必須在接近平衡的條件下生成，這意味著溫度越高越好。非平衡度

13、大時(shí)，缺陷和不純物的引入變得十分顯著。從工藝上說，溫度低可避免由于水蒸氣造成的針孔，溫度太低，沉積的薄膜質(zhì)量無保證。高溫容易引起基板的變形和組織上的變化，會(huì)降低基板材料的機(jī)械性能；基板材料與膜層材料在高溫下會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)散，在界面處形成某些脆性相，從而削弱了兩者之間的結(jié)合力。因此在實(shí)際的生長過程中可綜合考慮上述兩個(gè)因素，選擇合適的生長溫度，使薄膜的結(jié)晶程度達(dá)到最佳。本工藝中基片溫度大約在400。a. 淀積速率隨襯底溫度的增加略有上升，但變化不顯著。由于PECVD工藝的反應(yīng)動(dòng)力來自比襯底溫度高101000倍的“電子溫度”，因而襯底溫度的變化對(duì)膜的生長速率影響不大。b. 基板溫度與膜應(yīng)力的關(guān)系：從低

14、溫到高溫，應(yīng)力的變化趨勢是從壓應(yīng)力變?yōu)閺垜?yīng)力。一種理論解釋為：壓應(yīng)力是由于在膜的沉積過程中，到達(dá)膜表面的離子的橫向移動(dòng)的速率太小，來不及到達(dá)其“正?！钡木Ц裎恢?，被后來的離子覆蓋，這樣離子就相當(dāng)于被阻塞在某一位置，最終就會(huì)膨脹，形成壓應(yīng)力。張應(yīng)力的形成是由于在膜的形成過程中，由于反應(yīng)中間產(chǎn)物的氣化脫附，而參加淀積的原子，由于其遷移率不夠大而來不及填充中間產(chǎn)物留下的空位，最后形成的膜就會(huì)收縮，產(chǎn)生張應(yīng)力。針對(duì)這種理論，膜在生長過程中，到達(dá)膜表面的離子的橫向移動(dòng)速率正比于樣品表面的溫度，樣品的溫度低，膜表面的離子的移動(dòng)速率就相應(yīng)趨小，而離子到達(dá)樣品的速度主要決定于離子的密度，決定于功率的大小，跟溫

15、度基本無關(guān)，這樣，一方面外部離子不斷地大量涌到樣品表面，另一方面，由于溫度低，離子的橫向遷移率小，離子來不及橫向移到其“正常”的晶格位置就被后來的離子覆蓋，必然造成阻塞，成膜厚，阻塞處膨脹，形成壓應(yīng)力。高溫時(shí)，由于樣品表面的溫度比較高，吸附在表面的離子和它們生成的中間產(chǎn)物以及附屬產(chǎn)物等就比較容易脫附而逃離表面，返回到反應(yīng)室中重新生成氣體分子，被真空泵抽走，排出反應(yīng)室，結(jié)果在樣品的表面產(chǎn)生較多的空位，最終，生成的膜中由于空位較多，就會(huì)引起膜的收縮，從而易產(chǎn)生張應(yīng)力。c. 基板溫度還與功率及 、 流量有關(guān)，后三者提高，則基板溫度也要相應(yīng)提高。,24,影響PECVD的工藝參量,（4）反應(yīng)氣體（流量比

16、，總流量）反應(yīng)氣體為高純氨、高純氮?dú)夂透呒児柰?，主要反?yīng)氣體是高純氨氣和高純硅烷，氮?dú)庵饕脕碚{(diào)節(jié)系統(tǒng)的真空度和稀釋尾氣中的硅烷。PECVD工藝中使用的氣體為高純 和高純 ，氣體流量大約為667sccm，1333sccm。從氮化硅（ ）分子式可知， / =（332）/（417）=1.4為理想的質(zhì)量比，理想的流量比為（1.40.599）/0.719=1.16。而在實(shí)際當(dāng)中，硅烷的價(jià)格是較昂貴的，因此在生產(chǎn)過程中，廉價(jià)的氨氣適當(dāng)過量以達(dá)到硅烷的較大利用率，而以總體的成本最低，經(jīng)濟(jì)效益最高為目的。因此，流量比選擇Si/N=1/2。在沉積過程中，如果硅烷的量比率過大，反應(yīng)不完全，則尾氣中的硅烷含量高，

17、過量的硅烷會(huì)與空氣中的氧氣進(jìn)行劇烈反應(yīng)，有火焰和爆破聲，對(duì)于生產(chǎn)操作不利，且也白白浪費(fèi)硅烷，同樣氨氣和氮?dú)獾倪^量也會(huì)造成浪費(fèi)。因此流比的選擇必須圍繞較好的折射率和較佳的經(jīng)濟(jì)效率來考慮。a. 在 流量不變的情況下，氮化硅膜的折射率隨 流量的增加而增大，而淀積速率卻隨著下降。由于 流量增加，反應(yīng)生成物中的 含量增加，氮化硅呈富硅特性，則薄膜變得更為致密，故折射率變大；另一方面，大流量的 使反應(yīng)室內(nèi)氣體濃度增加，氣體分子平均自由程變小，淀積到 表面的反應(yīng)生成物減少，導(dǎo)致淀積速率隨 流量增加反而減少。b. 沉積氮化硅薄膜時(shí)，反應(yīng)氣體 和 的流量比是影響薄膜的成分和電學(xué)性能的重要因素， 和 的流量大小直

18、接影響著薄膜中 和N的含量，因此也就影響薄膜的性能和結(jié)構(gòu)。 流量增大使反應(yīng)氣體中的 原子數(shù)增多，從而使薄膜中 /N增大，當(dāng) /N比超過0.8時(shí)，氮化硅薄膜富 ，因此薄膜的絕緣性能下降。當(dāng) 流量過小時(shí)，由于 的減少薄膜富N，同樣使薄膜的絕緣性能下降。為了獲得生長速率適中以及均勻性好的薄膜，對(duì)于選定的高頻電壓，反應(yīng)室氣體壓力必須是相應(yīng)確定的，當(dāng)然這應(yīng)該是相對(duì)于一定的真空泵抽氣速率而言，氣體壓力是進(jìn)氣總量與抽氣速率動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。因而反應(yīng)氣體的流量除了要按一定的相互比例調(diào)節(jié)以保證淀積膜的化學(xué)計(jì)量比之外，其總流量也必須是確定的，流量過大會(huì)造成過量的沉積和氣體的浪費(fèi)，不足則會(huì)造成沉積量不夠，沉積的膜較薄

19、，流量過大或過小都會(huì)影響膜的質(zhì)量。,25,影響PECVD的工藝參量,（5）反應(yīng)腔的幾何形狀，體積反應(yīng)腔的幾何形狀，體積影響真空泵的抽氣速率，及最后達(dá)到的抽氣壓，影響工藝過程。（6）電極空間早年的輝光放電器大多做成外電極的水平管式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)無法得到均勻的電場，由于放電產(chǎn)物的分布決定于空間電場的分布，電場不均勻，長出的膜也就不可能均勻。因此，無法在大面積上淀積均勻膜。采用等間距的平板電容器式內(nèi)電極結(jié)構(gòu)，使電場分布均勻，就解決了這個(gè)問題。 （7）薄膜折射率工藝生長的氮化硅薄膜厚度一般為80nm，折射率為2.02.2之間，其光學(xué)厚度為n=80（2.02.2）=160176nm，可知對(duì)應(yīng)吸收最強(qiáng)烈的

20、光波長應(yīng)為（160176）4=640704nm,地面太陽光譜能量的峰值在波長500nm，而硅太陽電池的相對(duì)響應(yīng)峰值在波長800900nm，故要求減反射膜對(duì)500900nm的光有最佳減反射效果。此種厚度氮化硅薄膜對(duì)波長為500900nm的光反射率相當(dāng)?shù)?，最低值出現(xiàn)在700nm左右，減反射效果非常好。對(duì)于采用封裝工藝的硅太陽電池組件來說，減反射膜的外界介質(zhì)一般為硅橡膠，其折射率約為1.14，此種情況下，理論上最匹配的減反射膜折射率為： 折射率的高低主要決定于膜中Si/N比值，沉積溫度低時(shí)，薄膜富Si則折射率高。隨著溫度的升高，Si/N比值減少，薄膜的折射率減少；沉積溫度升高，使得反應(yīng)室中存在的少量

21、氧氣也參加反應(yīng)，由于氧的電負(fù)性大于氮，故氧可代替薄膜中Si-N鍵中氮的位置，導(dǎo)致薄膜中氧含量增加，使薄膜的折射率下降。但隨著折射率的升高，減反射膜的消光系數(shù)也將升高，但這些光不能增加電池電流，所以折射率太高了不好，但是折射率如果太低會(huì)導(dǎo)致反射率升高，所以較優(yōu)的減反射膜折射率應(yīng)該控制在2.12左右。,26,影響PECVD的工藝參量,（8）抽氣速度在氣體壓力維持一定的情況下，抽氣速率越快氣體滯留時(shí)間越短，如果抽速一定，則滯留時(shí)間不變。隨著淀積次數(shù)的增加，機(jī)械泵抽氣速率下降，維持規(guī)定的氣體流量反應(yīng)室氣體壓力會(huì)不斷增高；而要保持氣體壓力不變則又必須不斷減少流量，這不僅造成工藝操作難以掌握，而且技術(shù)指標(biāo)也難以保證，因?yàn)殡m然壓力不變，但在低抽速小流量情況下，氣體在反應(yīng)室滯留時(shí)間增加，造成淀積速率上升，并且影響淀積均勻性。機(jī)械泵抽氣速率下降的原因是由于隨著工作時(shí)間的延續(xù)，泵體溫度升高，即使采用風(fēng)冷或水冷裝置仍難以維持抽