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PECVD ----- 李文 2010-5 第1章 PECVD 原理 1.1 减反射膜光学原理 1.2 PECVD 沉积原理 1.2.1 等离子体概述 1.2.2 薄膜沉积理论 第2章 PECVD 设备 2.1 真空系统 2.1.1 真空 2.1.2 真空获取与检漏 2.2 设备结构 2.2.1 ROTH 单位面积上分子与固体表面碰撞几率变 小；气体分子密度低；剩余气体对沉积膜的掺杂减小。 （2）常用真空单位换算 2． 平均 自由程 （1） 平均自由程： 一个 分子每连续与其他两个气体分子碰 撞所走过的路程， 叫做自由程。相当多自由程的平均值叫做平均自由程。 粘滞流： 气体分子平均自由程远小于导管最小界面尺寸的流态。 此时的流动 取决于气体的粘滞性，粘滞流可以使层流或滞流。 中间流：在层流和分子流之间状态下分子通过导管的流动。 分子流：气体分子平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态。 流量：单位时间通过某一界面的气体体积。 （2）常温下大气压力与大气分子平均自由程的关系 3． 真空 作用 在低压气体处于电场中， 气体中所存在的少量的自由电子就会被加速， 由于 气体比较的稀薄， 电子的平均自由程较大， 因而容易被加速到较高的速度。 这些 高速电子与中性的原子、 分子碰撞后， 便会失去部分能量， 如果所发生的是弹性碰撞， 就会增加中性原子， 分子的动能， 于是气体的温度便会相应地升高， 如果 发生的是非弹性碰撞， 那么就会发生离解、 离化、 激发等现象， 因而产生出大量 的各种离子， 游离基。 这些粒子在化学性质上是活化的， 他们有助于生成新的粒 子和发生化学反应。 而电子在损失掉能量以后又会被电场加速， 他们不断地反复 着 被 加 速---- 与 分 子 原 子 碰 撞 的 过 程 ， 于 是气体 便 很 快 地 电 离 而 成为等 离 子 体 发 生放电现象。 4． 不同 真空状 态下 真空 工艺 应用 粗真空 （100000-1000Pa ） ： 气体状态与常压相比只是分子数量的减少， 没有 气体空间特性的变化， 分子间碰撞频繁， 此时的吸附气体释放可以不予考虑， 气 体运动以粘滞流为主。 主要是利用压力差产生的力来实现真空力学应用 （真空吸 引或运输固体、液体、胶体等，真空吸盘起重，真空过滤） 。 低真空 （1000-0.1Pa ） ： 气体分子间， 分子与器壁间碰撞不相上下， 气体分子 密度较小， 气体释放也可不考虑， 气体运动以中间流为主。 利用气体分子密度降 低可实现无氧化加热， 利用气压降低时气体的热传导和对流逐渐消失的原理可以 实现真空隔热及绝缘， 利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻和真空 干燥 （黑色金属真空熔炼脱气， 真空绝缘和真空隔热， 真空冷冻及干燥， 高速空 气动力学实验中的低压风洞） 。 高真空 （0.1-0.000001Pa ） ： 气体分子间相互碰撞极少， 气体分子与器壁间碰 撞频繁， 气体运动以分子流为主， 此时的气体释放是影响真空度及抽气时间的一 个主要原因。 利用气体分子密度低， 任何物质与气体残余分子发生化学作用微弱 的特点进行真空冶金， 真空镀膜 （超纯金属、 半导体材料的真空提纯及精制， 真 空镀膜， 离子注入、 干法刻蚀等表面改性 ， 真空器件的生产： 光电管、 各种粒子 加速器等） 。 超 高 真 空 （0.0000001Pa ） ： 气 体 分 子 与 器 壁 的 碰 撞 次 数 极 少 ， 气 体 空 间 只 有固体本身的原子， 几部没有别的分子或原子的存在， 此时压强的升高除了泄漏 外主要就是器壁分子的释放。 应用： 宇宙空间环境的模拟， 大型同步质子加速器 的运转。 2.1.2 真 空获 取与 捡漏 1． 真空 获取 真空是通过泵连接角阀到腔体底部抽取真空。其中最主要是泵， 下面简单介绍一下泵， 目前公司用到的是罗茨增压泵， 干 泵。 其中 E 是罗茨泵，F 是 干泵 。 简单说明两种泵。 罗茨泵 （1）分类与特点 分类： 低真空罗茨泵； 中真空罗茨泵 （机械增压泵） ； 高真空多级罗茨泵 （干 泵） 。 特点： 在较宽压强范围有较大的抽速； 启动快， 迅速工作； 对气体中的灰尘 和水蒸气不敏感； 转子不需油润滑， 提供比较洁净的工作环境； 设备驱动功率小， 机械磨损小；结构紧凑，小巧；运行维护费用低。 （2）罗 茨泵使 用了液 力联轴器 ，使泵 可以无 级调速 ， 平稳起 动 ，能 够在高 压差下工作，起到保护马达的作用，下面是工作过程： 气体从入口进入转子和定子之间； 偏轴转子压缩空气并输送到出 口； 气体在出口累积到一定压强，喷出到大气。 工作范围：Atmosphere to 10-3 torr 。 特点： 耐用， 便宜； 由 于泵的定子 、 转子都浸入油中， 每周期都有油进入容 器，有污染；要求机械泵油有低的饱和蒸汽压、一定润滑性、黏度和高稳定性。 （2）干泵 干泵属于机械泵， 因为无油， 故多用来抽取特气或尾气； 其实严格意义上说， 他也并不是完全的无油， 在传动齿轮及轴承处仍需润滑油或 PFPE 全氟聚醚油脂 润滑，产生的油蒸汽仍可进入泵腔产生污染。 分类：多级罗茨，爪式，螺杆式，涡旋式；极限压力：0.1-10Pa 。 2． 真空 检漏 目前公司都是采用氦质谱检漏仪检测， 氦质谱检漏仪是根据质谱学原理， 利 用氦气作为示踪气体， 来对各种容器的泄漏、 微漏和渗漏( 包括材料本身的) 进行 检测的仪器。 图形如下： （1）使用氦气作为示踪气体的原因 1 氦气在空气中含量非常少，只有 5ppm （空气中占约 1/200000 ） ；2 在被测试的物体内部所残留的空气中的氦气含量也非常少； 3 由于氦 分子量 小 、分 子直径小 （在元 素周期 表中在仅 排在氢 的后面 ） ，即 便是极其微小的渗漏孔也能方便地通过； 4 由于具 有化学 上的不 活跃 性， 不会污 染排气 系统及被 测试物 体， 也不容 易吸附在腔体表面上，容易放出； 5 由于具有对人体无害性和不可燃爆性，因此使用安全方便； 6 对分析管的分辨率要求并不高，容易实现高灵敏度； 7 不存在环境污染问题。 （2）氦质谱检漏仪的工作原理 灯丝发射出的电子在电离室来回震荡， 与电离室内气体和经被检件漏孔进入 电离室的氦气相互碰撞使其电离成正离子， 这些离子在加速电场作用下经缝隙进 入磁场， 由于洛伦兹力作用产生偏转， 形成圆弧形轨道， 轨道半径与粒子的荷质 比有关， 调节电压使氦离子正好通过缝隙被收集形成离子流经放大器放大， 通过 输出表及音响显示出来。 ，如下图。 （3）检漏原则及方法 原则： 从上而下 （氦气 密度小） ， 由近到远 （检 漏仪响应时间随距离而不同） 。 方法：喷 氦法 （ 负压， 真空系统 的检漏 常用方 法 ） ，吸 氦法 （ 通氦加 压 ，特 气管路等常用方法） 。 （4）检漏步骤 （1）接通电源，打开开关。 （2）按预抽阀预抽检漏仪内部真空。 （3）启动时间大概十分钟，内部真空抽至 5Pa 左右 （4）打开灯丝 （5）通 过波纹 管连接 检漏仪至 待检管 路 ，起 动用相应 的泵抽 待检管 路及波 纹管真空至 5Pa 左右。 （6） 打开检漏仪上的阀门，使管路与检漏仪联通。 （7） 调节漏率指示条位置及喇叭声响大小 （8） 对要检部位喷氦检漏 （9） 检漏结束，关闭灯丝。 （10） 关闭检漏仪真空阀门，关机。 （11） 打开放气阀，关闭电源。 （5）检测部位 腔门密封圈， 法兰， 拆卸过的重点检测 ， 气动阀门， 拆卸过的重点检测， 焊 缝， 接口 （注： 每次检 漏都是有针对性的进行 ， 各拆卸过的部件， 密封圈及阀门 是重点。 ） 2.2 设备结构2.2.1 ROTH过 高薄膜 中的氢 含量就高 ,严 重地影响了器件的可靠性。 （3）当Si/ N 比增 大 ,氮 化硅薄膜 折射率 上升 , 电阻率和 动态介 电常数 下降 ， 电绝缘性能变差； 当薄膜中的Si/N比接近化学计量比0.75时， 氮化硅薄膜的电学 特性和钝化性能大大改善。 3.2 一厂 工艺 情况 一厂目前的工艺经历了几次调整，参数基本工程师编写，过程如下： 1.总 体 L3A ROTH&RAU 单 晶 工艺 过程 。 3、4 线切单晶，使用工艺如下： L / C H / C P / C 4 2 0 4 2 0 4 2 0 3 0 0 . 2 5 3 3 0 0 1 7 5 0 4 1 0 N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 N H 3 S i H 4 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) 后来改为如下参数，主要是降低折射率，更好的光学匹配： L / C H / C P / C 4 2 0 4 2 0 4 2 0 3 0 0 . 2 4 5 N H 3 S i H 4 3 3 0 0 1 7 5 0 3 6 0 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 考虑温度的影响，降低温度，原来温度升高主要也是受当时蒙胧片影响。 L / C H / C P / C 3 7 0 3 7 0 3 7 0 3 0 0 . 2 4 3 3 0 0 1 7 5 0 3 6 0 N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 N H 3 S i H 4 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) 为了提高产能，降低了加热时间，参数如下： L / C H / C P / C 3 7 0 3 7 0 3 7 0 2 7 0 . 2 4 N H 3 S i H 4 3 3 0 0 1 7 5 0 3 6 0 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 从中可以看出，单晶对减反射效果考虑的更多些。 2.总 体 3A ROTH&RAU 多 晶 工艺过 程 。 L / C H / C P / C 3 5 0 3 5 0 3 5 0 3 0 0 . 2 4 5 L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 N H 3 S i H 4 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) 3 3 0 0 1 7 9 0 3 7 0 为了匹配 71 栅线，考虑到钝化效果，增大致密性，工艺如下：L / C H / C P / C 3 5 0 3 5 0 3 5 0 3 0 0 . 2 7 N H 3 S i H 4 3 3 0 0 1 6 5 0 4 0 0 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 3 栅线进一步增大致密性，工艺如下： L / C H / C P / C 3 5 0 3 5 0 3 5 0 3 0 0 . 2 7 N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 3 3 0 0 1 5 5 0 4 0 0 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) N H 3 S i H 4 3.总 体 L2A ROTH&RAU 单 晶 工艺 过程 。 刚开始单晶工艺： L / C H / C P / C 4 2 0 4 2 0 4 2 0 3 0 0 . 2 5 3 3 0 0 1 7 3 5 4 5 0 N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 N H 3 S i H 4 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) 调整温度如下，增加钝化： L / C H / C P / C 3 7 0 3 7 0 3 7 0 3 0 0 . 2 5 3 3 0 0 1 7 3 5 4 5 0 N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 N H 3 S i H 4 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) 由于气体管道原因当时膜厚很不均匀更换管道， 折射率偏大， 调整参数 如下 ： L / C H / C P / C 3 7 0 3 7 0 3 7 0 3 0 0 . 2 5 N H 3 流 量 ( s c c m ) S i H 4 气 体 流 量 ( s c c m ) 1 ~ 6 3 0 0 0 1 7 8 0 4 0 0 微 波 功 率 设 定 值 （ W ） 腔 体 温 度 ( ℃ ) L / C 加 热 时 间 压 力 ( m b a r ) N H 3 S i H 4 4.岛 津工 艺相差 不大 ，大 部分 只是时 间的 差异 ， 温度 是厂家 设定 。 3 5 0 2 0 0 0 1 5 0 0 3 5 0 / 4 0 0 5 2 4 / 4 6 7 / 5 1 3 5 1 3 / 4 6 6 / 5 1 0 6 7 1 0 0 0 射 频 功 率 ( w ) S i H 4 N H 3 N 2 L C / H C P C - 1 ( 三 个 温 度 ) P C - 2 ( 三 个 温 度 ) 气 体 流 量 s c c m 加 热 器 温 度 （ ℃ ） 工 艺 压 力 ( p a ) 3.3 测试 分析 1．椭偏仪测量膜厚、折射率； 2．D8测量反射率； 3．IQE测试仪测试波长响应；