葵花宝典--PECVD

PECVD：等离子增强化学气相淀积 Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition 一、镀膜原理 二、管式 PECVD 镀膜的各工艺参数具体控制范围 三、PECVD 膜的作用、简述膜的特性。 四、常见的异常情况 一、镀膜原理 所谓等离子体，是指气体在一定条件下受到高能激发，发生电离，部分外 层电子脱离原子核，形成电子、正离子和中性粒子混合组成的一种形态，这种 形态就称为等离子态。 等离子体在化学气相沉积中有如下作用： (1).将反应物中的气体分子激活成活性离子，降低反应所需的温度； (2).加速反应物在基片表面的扩散作用（表面迁移作用） ，提高成膜速度； (3).对于基体表面及膜层表面具有溅射清洗作用，溅射掉那些结合不牢的 粒子，从而加强了形成的薄膜和基片的附着力； (4).由于反应物中的原子、分子、离子和电子之间的碰撞、散射作用，使 形成的薄膜厚度均匀 间接等离子：等离子没有直接和硅片接触（ Roth&Rau, 岛津 ） 直接等离子：等离子直接接触硅片( Centrotherm ) 间接等离子 直接等离子 等离子不直接接触硅片 等离子直接接触硅片，会对硅片表面造成轰击 等离子高能量密度 等离子低能量密度 高效的间接激活方式 point-of-use 的激活方式 downstream 丧失有活性的反应物 downstream 短，反应物可以被激活 高频限制沉积区域 低频可以满足较大的沉积区域 存在混合和沉积的均匀性问题 混合和沉积降至最低的不均匀 硅片不会影响等离子的控制 硅片会影响等离子的控制，会造成色差等影响 没有等离子加热 等离子加热硅片，钝化效果会加强 只会由于机器本身产生色差片 除了机器本身，还有其他原因产生色差片 2433504 H1Ni3SNHSi℃等 离 子 体 iiSi℃ 6i 323504等 离 子 体 2 22350等 离 子 体 原理： 管式 PECVD 的原理就是通过脉冲射频激发受热的稀薄气体进行辉光放电形 成等离子体，通过两片相对应的石墨片加相反的交变电压使等离子在极板间加 速撞击气体，运动到硅片表面完成镀膜过程。 影响镀膜效果主要的机器本身工艺参数有： (1).镀膜工艺时候真空压力 (2).镀膜工艺温度 (3).镀膜工艺 气体流量比43SiHN (4).镀膜工艺 和 总气体流量3 (5).射频功率以及脉冲开关时间 (6).等离子体的沉积方向 由于管式 PECVD 是直接镀膜过程，镀膜效果会受到很多外界因素的干扰， 并且这些干扰对膜的质量产生很严重的影响； (1).石墨舟本身的使用状况 (2).硅片表面形貌的差异 二、管式 PECVD 镀膜的各工艺参数具体控制范围 1.镀膜工艺时候真空压力 真空压力对镀膜速率而言很重要，是成膜较为关键的因素，目前在尚德镀膜 工艺保持稳定的情况下，管式 PECVD 的真空压力为； 156 多晶：1700 mTorr ，大约相当于 226.65 Pa。 125 单晶：1700 mTorr ，大约相当于 226.65 Pa。 2.镀膜工艺温度 管式 PECVD 工艺时温度为 430℃--450℃ 3.镀膜工艺 气体流量比43SiHN 156 多晶： =5000sccm：600sccm (单位为每分钟标准立方厘米) 125 单晶： =4200 sccm：500 sccm (单位为每分钟标准立方厘米)43i 4.镀膜工艺 和 总气体流量3NH4Si 5.射频功率以及脉冲开关时间 射频功率也是影响镀膜成膜的较重要的因素，也是优化工艺时必须考虑的因 素，目前射频功率新工艺射频功率为； 156 多晶：P=3800W ， =5 ms = 40 ms ,ontoft 平均功率为 = 422.2WofnavergtP 125 单晶： P=3250W ， =5 ms = 40 ms ,ontoft 平均功率为 = 361.1Wofnavergt 6.等离子体的沉积方向 插片时硅片载体被工艺点固定，在硅片和石墨舟片接触很紧密的情况下（即 硅片本身不弯曲，插片不翘起） ，等离子基本上是垂直撞击到硅片表面。 三、PECVD 膜的作用、简述膜的特性。 1、氮化硅膜的减反效果 减反膜是利用了光的干涉原理，两个振幅相同，波程相同的光波叠加，结 果光波的振幅加强。如果有两个光波振幅相同，波程相差 λ/2，则这两个光波 叠加，结果相互抵消了。减反膜就是利用了这个原理。在硅片的表面镀上薄膜， 使得在薄膜的前后两个表面产生的反射光相互干扰，从而抵消了反射光，达到 减反射的效果。 空气或玻璃折射率 n=1 或者 1.5 SiN 减反膜的最佳折射率 n= 1.9-2.1 硅本体折射率 n=3.87 2、氮化硅膜的钝化效果 PECVD 沉积 SixNy 薄膜有一定程度的表面损伤，同时薄膜中有较高含量的 氢，容易和空位形成氢一空位对{V. H}+。空位还能增强氢的扩散，使氢与缺陷 及晶界处的悬挂键结合，从而减少界面态密度和复合中心。正电荷{V. H}+也改 善了 SixNy/Si 的界面状态。很多文献资料显示，有效少数载流子寿命和 SixNy 膜中的氢含量由一定的关系。多数情况下，氢含量较高，少子寿命也较大。但 沉积温度改变时有所不同，可能是温度的升高更有利于粒子的运动，使 SixNy 膜中更多的氢溢出，到达界面或进入硅中，消除悬挂键的活性，从而获得更高 的少子寿命。这样，薄膜中的氢含量有可能降低。 合适条件的后退火能够进一步增强氢和氢一空位对{V. H}+的扩散，从而降 低表面复合速率，获得更好的钝化效果。但是退火温度过高时，SixNy 膜和硅 中的氢都会向外扩散溢出，使氢含量迅速减少，少子寿命急剧下降，钝化效果 消失。 PECVD 沉积氮化硅膜后，单晶硅少子寿命的提高主要是因为好的表面钝化。 对于多晶硅和其他低质量的硅片（如硅带） ，因为体内具有大量的空位、缺陷和 晶界等，除了表面钝化效果。因此，低质量硅片的氢钝化效果更明显。 3、氮化硅膜的抗干扰效果 氮化规的主要性质是对 、O、Na、Al、Ga、In 等都具有极强的扩散阻H2 挡能力，使它成为一种较理想的保护电池的材料。 4、膜的特性 密度：3.19 3cmg 熔点：1900℃ 硬度：1000-2500 kf 电阻率： cu180 结晶晶系：六角晶系 晶格常数：a=0.76nm c=0.291nm 介电常数：5-6 击穿场强： cmv710 四、常见的异常情况 管 P 部分 1.边缘水纹 原因：因 2#HF 槽吹干效果不佳，导致正面边缘生产络合物，再加上碱洗不干净 最终导致边缘水纹；（三楼 Kuttler 刻蚀） 解决：改善 2#槽吹干效果，将碱槽浓度加大 2.红片 原因：(1).沉积时间过短； (2).减薄量过低； (3).石墨舟使用次数过多 (4).石墨舟预处理效果不佳 解决：(1).根据实际情况调整镀膜时间； (2).根据已镀膜完片子的情况，结合对应的减薄量，实时调整镀膜时间； (3).检查操作记录，确认舟已使用多少次，如果使用次数过多就要求员 工将石墨舟作刻蚀处理 (4).对该石墨舟尽早做刻蚀处理 3.淡蓝 原因：(1).沉积时间过长； (2).减薄量过高； 解决：(1). 根据实际情况调整镀膜时间； (2).根据已镀膜完片子的情况，结合对应的减薄量，实时调整镀膜时间； 4.镀膜呈彩虹状 原因：弯曲片； 解决：对于弯曲片，因 Centrotherm 工艺原理所限，没有办法，所以弯曲片只 能在平板机器上做； 5.石墨舟掉片子，如下图所示： 原因：员工上料不牢，在机内碎片； 解决：掉了一片，就导致了上面两片异常片，对于右边这片肯定是要返工的； 而左边这片，图中所看到的是硅片的背面，而它的正面是好的，所以员 工常会将这样的片子留下面，下面是这种片子的电性能： Uoc Isc Rs Rsh FF Eff Irev2 0.587～0.594 7.2～7.5 10～26 3～50 50～67 10%左右 0.3～3 从上面的数据中可以看出，这样的片子肯定是 Jo 片，所以这种片子也是一 定要返工的； 6.异常色差，如下图所示： 原因：制绒槽的风刀堵住所致； 解决：更换风刀； 7.边缘色斑印，如下图所示，镀膜后该区域依然较明显： 原因：(1).清洗间出来的片子吹不干； (2).石英舟不干净； 解决：(1).检查到底是什么原因导致，是酸洗不脱水还是风刀吹不干导致，视 实际情况解决； (2).从上图可以看出，边缘的色斑形状规则，是石英舟的支撑杆处出现 的，须跟踪是哪个石英舟导致，将该石英舟停用作清洗； 8.工艺圆点大 原因：石墨舟的固定点磨损过深导致 解决：让设备人员将石墨舟拆洗，更换石墨片； 平板部分 9.Roth&Rau 的可控参数 (1). 压强 0.2mbar～0.3mbar 温度 350℃～400℃ 微波功率 2800W～3600W SiH4(0sccm～2000sccm)和 NH3(0sccm～2000sccm)，SiH4 和 NH3 总气流量 控制在 2000sccm，而 NH3 和 SiH4 的比率控制在 2.9～3.6； 带速 150cm/min～170 cm/min 上面这些参数是常规调整参数，可对单框整体的膜厚和折射率进行控制； (2).进料腔的加热时间，进料腔和出料腔冲 NH3 的时间和流量，进料腔、预热 腔和工艺腔的加热器的输出功率，微波发生器的开关时间(基本没修改过)； 第二组这些参数主要是调整温度、压强和等离子体浓度的均匀性； 10.膜厚与折射率不匹配 原因：(1).工艺腔压强异常； (2).总气流和气流比率超出界限； (3).工艺腔严重漏气（具体参看 15） ； 解决：(1).检查工艺参数，是否被在线修改，工艺腔的压强基本都是 0.25mbar，不能过低，比如不能小于 0.2mbar，如果压强过低的话， 膜的折射率会很小 1.8～1.9,且膜厚反而会偏厚；压强为 0.1mbar 时， 电性能如下： Uoc Isc Rs Rsh FF NCell Irev2 P=0.1mbar 0.596 7.522 2.2 87.01 77.05 14.2 0.43 正常 0.6107 7.844 2.15 89.74 78.11 15.39 0.44 (2).也需检查工艺参数是否被修改， 11．石墨框有一边边缘或一道出现发红现象（沿进框方向） 原因：(1).石英管的使用时间 (2).工艺腔内掉片 (3).石英管因其它原因导致其表面残留的氮化硅厚度不均，从而导致微 波受到削减 (4).特气气孔堵塞 (5).实际微波功率偏低 解决：(1).如果是石英管已用时间过长，督促尽早更换石英管 (2).开腔将碎片去除 (3).更换石英管 (4).这种情况较难发现，所以只能督促设备人员在维护时，清理干净， 用直径 1mm 左右的器具将气孔清理； (5).如(3).中说的，并不一定是微波功率本身偏低，但可以调整其解决 已有的问题，如果是左边偏红的话，可以适当提高右边微波的功率； 12．机器导致掉片 原因：(1).如果是机器内部掉片，内部压强差异导致的可能性更大， (2).机器外部掉片，则原因主要是传输带不平整导致 (3).石墨框的钩子和档针变形也会导致 (4).员工放片不到位也会导致 措施：(1).检查各腔体单周期内的压强变化趋势，特别是四个腔门在开关前后 的压强变化 (2).让设备人员排除传输带问题 (3).跟踪确切是哪个框在特定位置掉片，将其停用； (4).要求员工进框前，轻敲石墨框检查一下； 13.沿进框方向出现单框最前面 2～3 排或最后面 2～3 排整体发红，如下图所示； 原因：因预热腔或冷却腔传动速度出现异常，和工艺腔匹配出现问题； 解决：让设备人员将设备软件重新运行后即可解决；（属于软件问题） 14.单框五道之间出现严重色差； 原因：工艺腔与外部连通，出现轻微漏气； 解决：开腔后会发现膜较厚的那道对应的工艺腔的腔壁处也会有发白物质，更 换石英管； 也可以在电脑操作界面上确认各个腔体的漏气情况，先将要确认的腔体 抽成真空，然后将其处于待机状态，察看压强升高的速度，标准是要 0.0026mbar/min； 15.整框片子的膜颜色偏暗、发紫； 原因：工艺腔与外部连通，出现较严重的漏气； 解决：首先从外观上看，就能发现很异常了，测试其膜厚和折射率会发现它们 之间不匹配，比如膜厚 85 而折射率只有 1.8～1.9。出现这种情况一般 是因石英管的密封圈损坏和石英管爆裂导致，具体导致上面两个原因的 原因有冷却水问题导致期间烧坏、石英管使用时间过长、石英管质量较 差等等； 正常片 异常片 上面这张图片就是在石英管的密封圈烧坏后，腔盖的外观，在第四根和第 八根石英管处明显有发白的氧化硅类物质； 正常片 异常片 上面的两张图片是检验膜好坏较方便的方法，即用酒精滴到膜上面，如果 如左图所示，酒精下膜颜色变化不大的话说明膜的致密性还正常；如果膜有异 常的话，颜色会变化很大，比如右图都已经变为硅本色了； 16．单片色差、单片发红或单片偏淡 原因：沉积时间、绒面差异导致； 解决：如果整框发红或偏淡，那么多数是沉积时间过短或过长所致；但如果是 随机的某一位置发红、偏淡或单片色差，则主要是片与片之间或单片的 绒面差异导致，且在镀膜前，仔细观察就可以看出绒面的差异； 17．卡框 原因：(1).碎片挡住传感器； (2).传输系统在手动模式下，各个马达就不会按自动程序运行了； (3).出料腔的气压达不到要求； (4).其它特殊异常情况，比如：冷却水停、加热器报警、微波报警等； (5).腔体之间的传感器匹配出现问题， 解决：(1).如果碎片挡住传感器，传感器会处于常亮状态，这就需要设备人员 来解决； (2).出现卡框情况，自己先检查一下传输系统是否在手动模式下，如果 是则将其切换为自动模式； (3).可能是出料腔的密封性不佳，让设备人员检查出口出是否有碎片， 有的话将其清理； (4).这些特殊异常情况就需要联系设备、设施人员共同解决； (5). 传感器的匹配问题属于软件问题，软件升级后就没有出现这个问题； 18．折射率低 原因：(1).NH3 和 SiH4 流量比不恰当； (2).工艺腔的压强过低； (3).工艺腔的压强过高； 解决：(1).出现流量比不恰当的可能较小，如果是这一部分出现问题的话，估 计是特气的流量计或者特气的压力流量出现问题； (2).如果工艺腔的压强低于 0.2mbar 后，压强对折射率的影响将会非常 明显； (3).这里说的工艺腔压强过高，主要是指工艺腔的情况； 19．如下图所示： 镀膜前镀膜后 原因：硅片表面未吹干，有残留水液； 解决：调整风刀； 20．一种色斑，如下图所示： 原因：手指印； 解决：目前主要认为是清洗的上下料和刻蚀的上下料，上面的两张图片就是清 洗下料手摸导致的，解决方法员工技能和员工意识；