影響PECVD的工藝參量

1、影響PECVD的工藝參量(1)工作頻率、功率PECVD是利用高頻電源輝光放電產(chǎn)生等離子體對(duì)化學(xué)氣相沉積過(guò)程施加影響的技術(shù)。高頻 電磁場(chǎng)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(zhǎng)的重要因素，其功率和頻率調(diào)整不好，會(huì)生長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，高頻薄膜的 沉積均勻性優(yōu)于低頻氮化硅薄膜。

2、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(zhǎng)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(wú)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

3、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)物浪費(fèi)。因此，根據(jù)沉積條件，需要選擇 合適的功率范圍。(2)壓力等離子體產(chǎn)生的一個(gè)重要條件是：反應(yīng)氣

4、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(guò)大自由電子的平均自由程很短，每次碰撞 在高頻電場(chǎng)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(guò)高，電子密度太低同樣也無(wú)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(chǎng)作用 下，會(huì)產(chǎn)生氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。低壓氣體在外加電場(chǎng)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

5、反應(yīng)。工藝上：壓強(qiáng)太低，生長(zhǎng)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(zhǎng)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。(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(zhǎng)過(guò)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。非平衡度大時(shí)，缺陷和不純物的引入變得 十分顯著。從工藝上說(shuō)，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(wú)保證。高 溫容易引起基板的變形

6、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(zhǎng)過(guò)程中可綜合考慮上述兩個(gè)因素，選擇合適的生長(zhǎng)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400C。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(lái)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(zhǎng)速率影響不大基板溫度與膜應(yīng)力的關(guān)系：從低溫到高溫，應(yīng)力的變化趨勢(shì)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(guò)程中，到達(dá)膜表面的離子的橫向移動(dòng)的速率太小， 來(lái)不及到達(dá)

7、其“正?！钡木Ц裎恢?，被后來(lái)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(guò)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(lái)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(zhǎng)過(guò)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，跟溫度基本無(wú)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(lái)不及橫向移到其“正?！钡?/p>

8、 晶格位置就被后來(lái)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?；鍦囟冗€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。(4)反應(yīng)氣體(流量比，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?用來(lái)調(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

9、和高純， 氣體流量大約為667sccm， 1333sccm。從氮化硅()分子式可知，/ = (3X32) / (4X17) =1.4為理想的質(zhì)量比，理想的流量比 為(1.4X0.599)/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(guò)程中， 廉價(jià)的氨氣適當(dāng)過(guò)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(guò)程中，如果硅烷的量比率過(guò)大，反應(yīng)不完全，則尾氣 中的硅烷含量高，過(guò)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^(guò)量也會(huì)造成浪費(fèi)。因此流比的選擇必

10、須 圍繞較好的折射率和較佳的經(jīng)濟(jì)效率來(lái)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(guò)0.8時(shí)，氮化硅薄膜 富

11、，因此薄膜的絕緣性能下降。當(dāng)流量過(guò)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(zhǎng)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(guò)大會(huì)造成過(guò)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，流量過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響膜的質(zhì)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(guò)程。（6）電極空

12、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(wú)法得到均勻的電場(chǎng)，由于放 電產(chǎn)物的分布決定于空間電場(chǎng)的分布，電場(chǎng)不均勻，長(zhǎng)出的膜也就不可能均勻。因此，無(wú)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(chǎng)分布均勻，就解決 了這個(gè)問(wèn)題。工藝中PECVD利用的是平板式SINA沉積設(shè)備。（7）薄膜折射率工藝生長(zhǎng)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=80X （2.02.2）=160176nm，可知對(duì)應(yīng)吸收最強(qiáng)烈的光波長(zhǎng)應(yīng)為（160176） X4=640704nm, 地面太陽(yáng)光譜能量的峰值在波長(zhǎng)500nm，而硅太陽(yáng)電池的相對(duì)響應(yīng)峰值在波長(zhǎng)80

13、0900nm， 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(zhǎng)為500 900nm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(yáng)電池組件來(lái)說(shuō)，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

14、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。(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

15、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速不變，因?yàn)闄C(jī)械泵從反應(yīng)室不斷抽出的畢竟是250C以上溫度的加熱 氣體。解決這一問(wèn)題可以考慮除了反應(yīng)氣體之外，另加一股調(diào)節(jié)用的氮?dú)?，每次淀積時(shí)保持 有效反應(yīng)氣體流量不變而不斷減少氮?dú)鈦?lái)補(bǔ)償抽氣速率的降低，從而維持氣體壓力不變?？?是如果這股氮?dú)馔ㄟ^(guò)反應(yīng)室的話，將使反應(yīng)氣體的濃度改變，反而會(huì)使淀積更加紊亂。我們 可以考慮把這股調(diào)節(jié)氮?dú)庠O(shè)計(jì)成從反應(yīng)室與機(jī)械泵之間進(jìn)去而不經(jīng)過(guò)反應(yīng)室，這樣不對(duì)設(shè)備 作任何機(jī)械加工就可達(dá)到預(yù)期目的。(9)傳送帶速度傳送帶速度大約在70cm/min。傳送帶速度過(guò)快，膜層厚度小，太慢膜層厚度過(guò)大。厚度有 時(shí)會(huì)產(chǎn)生尺寸效應(yīng),太薄和太厚的膜有時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)不同。(10)沉積時(shí)間沉積時(shí)間太短，膜厚及折射率達(dá)不到要求。時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)造成工藝氣體的浪費(fèi)，增加工藝成 本，同時(shí)也影響沉積膜質(zhì)量。由于膜中都存在機(jī)械應(yīng)力問(wèn)題，當(dāng)膜厚過(guò)高時(shí)，薄膜會(huì)開(kāi)裂， 甚至脫落。工藝PECVD沉積的膜厚為80nm，根據(jù)膜厚和沉積速率選擇合適的沉積時(shí)間。(11)反應(yīng)室存在均勻磁場(chǎng)均勻磁場(chǎng)保證了氮化硅薄膜沉積的均勻