－ 电子工业专用ｉ殳备 材料制造工艺与设备 Ｐ Ｅ ＣＶＤ的原理与故障分析 曹健 （中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄０５００５１） 摘 要：介绍了ＰＥＣＶＤ工艺的种类、工艺原理以及设备的基本结构；根据多年对设备的维护经 验，分析了ＰＥＣＶＤ设备的常见原因，提出了处理措施；最后，分析总结了影响ＰＥＣＶＤ工艺质量 的主要因素。 关键词：化学气相淀积；等离子增强型化学气相淀积；故障分析；工艺维护 中图分类号：ＴＮ３０４．０５５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４－４５０７（２０１５）０２－０００７—０４ Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＰＥＣＶＤ ＣＡＯ Ｊｉａｎ （Ｔｈｅ １ ３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００５ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ＰＥＣＶＤ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｙｅａｒｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｉｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ａ ｃｏｍｍｏｎ ｃａｕｓｅ ｏｆ ＰＥＣＶＤ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ＰＥＣＶＤ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥＣＶＤ）； Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆａｕｌｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｐｒｏｃｅｓｓ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ 薄膜制备工艺在超大规模集成电路技术中有 着非常广泛的应用，按照其成膜方法可分为两大 类：物理气相沉积（ＰＶＤ）￣Ｈ化学气相沉积（ＣＶＤ）。 设备维护的经验，介绍了等离子增强型化学气相 淀积（ＰＥＣＶＤ）设备的基本结构，总结了这类设备 的常见故障及解决措施。 等离子增强型化学气相淀积（ＰＥｃｖＤ）是化学气 相淀积的一种，其淀积温度低是它最突出的优点。 ＰＥＣＶＤ淀积的薄膜具有优良的电学性能、良好的 １ ＰＥＣＶＤ的种类 １．１射频增强等离子体化学气相淀积 （ＲＦ—ＰＥＣＶＤ） 衬底附着性以及极佳的台阶覆盖性，正由于这些 优点使其在超大规模集成电路、光电器件、ＭＥＭＳ 等领域具有广泛的应用。本文简要介绍了ＰＥＣＶＤ 等离子体化学气相淀积是在低压化学气相淀 苎 备结构及其工艺原理，根据多年对 积的同时，利用辉光放电等离子对过程施加影响， 收稿１３期：２０１５—０２．１０ ● 电子工业专用设吾 材料制造工艺与设备 状物，岛状物继续生长成连续的薄膜。在薄膜生长 过程中，各种副产物从膜的表面逐渐脱离，在真空 泵的作用下从出口排出。 ２．２ ＰＥＣＶＤ设备的基本结构 ２．２．３气体及流量控制系统 ＰＥＣＶＤ系统的气源几乎都是由气体钢瓶供 气，这些钢瓶被放置在有许多安全保护装置的气 柜中，通过气柜上的控制面板、管道输送到 ＰＥＣＶＤ的工艺腔体中。 在淀积时，反应气体的多少会影响淀积的速 ＰＥＣＶＤ设备主要由真空和压力控制系统、淀 积系统、气体及流量控制、系统安全保护系统、计算 机控制等部分组成。其设备结构框图如图２所示。 阀 图２ ＰＥＣＶＤ设备结构框图 ２．２．１真空和压力控制系统 真空和压力控制系统包括机械泵、分子泵、粗 抽阀、前级阀、闸板阀、真空计等。为了减少氮气、氧 气以及水蒸气对淀积工艺的影响，真空系统一般采 用干泵和分子泵进行抽气，干泵用于抽低真空，与 常用的机械油泵相比，可以避免油泵中的油气进入 真空室污染基片。在干泵抽到一定压力以下后，打 开闸板阀，用分子泵抽高真空。分子泵的特点是抽 本体真空能力强，尤其是除水蒸汽的能力非常强。 ２．２．２淀积系统 淀积系统由射频电源、水冷系统、基片加热装 置等组成。它是ＰＥＣＶＤ的核心部分。射频电源的 作用是使反应气体离子化。水冷系统主要为 ＰＥＣＶＤ系统的机械泵、罗茨泵、干泵、分子泵等提 供冷却，当水温超过泵体要求的温度时，它会发出 报警信号。冷却水的管路采用塑料管等绝缘材料， 不可用金属管。基片加热装置的作用使样品升温 到工艺要求温度，除掉样品上的水蒸气等杂质，以 提高薄膜与样品的附着力。 率及其均匀性等，因此需要严格控制气体流量，通 常采用质量流量计来实现精确控制。 ３ ＰＥＣＶＤ设备常见问题及影响工艺的主要 因素 ３．１设备常见问题及处理措施 ３．１．１无法起辉 无法起辉原因和处理措施： （１）射频电源故障，检查射频源电源功率输出 是否正常。 （２）反应气体进气量小，检查气体流量计是否 正常，若正常，则加大进气量进行试验。 （３）腔体极板清洁度不够，用万用表测量腔体 上下极板的对地电阻，正常值应在数十兆欧以上， 若异常，则清洁腔体极板。 （４）射频匹配电路故障，检查射频源反射功率 是否在正常值范围内，若异常，则检查匹配电路中 的电容和电感是否损坏。 （５）真空度太差，检查腔体真空度是否正常。 ３．１．２辉光不稳 （１）电源电流不稳，测量电源供电是否稳定。 （２）真空室压力不稳定，检查腔体真空系统漏 率是否正常，检查腔体进气量是否正常。 （３）电缆故障，检查电缆接触是否良好。 ３．１－３成膜质量差 （１）样片表面清洁度差，检查样品表面是否 清洁。 （２）工艺腔体清洁度差，清洗工艺腔体。 （３）样品温度异常，检查温控系统是否正常， 校准测温热电偶。 （４）膜淀积过程中压力异常，检查腔体真空系 统漏率。 （５）射频功率设置不合理，检查射频电源，调 材料制造工艺与设备 电子工业专用设备 整设置功率。 ３．１．４淀积速率低 ３．２．４气压 形成等离子体时，气体压力过大，单位内的反 （１）射频输入功率不合适，调整射频功率。 应气体增加，因此速率增大，但同时气压过高，平 均自由程减少，不利于淀积膜对台阶的覆盖。 （２）样品温度异常，检查冷却水流量及温度是 否正常。 （３）真空腔体压力低，调整工艺气体流量。 ３．１．５反应腔体压力不稳定 （１）检查设备真空系统的波纹管是否有裂纹。 （２）检查气体流量计是否正常。 （３）手动检查蝶阀开关是否正常。 （４）真空泵异常，用真空计测量真空泵的抽速 是否正常。 ３．２影响工艺的因素 影响ＰＥＣＶＤ工艺质量的因素主要有以下几 个方面： ３．２．１极板间距和反应室尺寸 ＰＥＣＶＤ腔体极板间距的选择要考虑两个 因素： （１）起辉电压：间距的选择应使起辉电压尽量 低，以降低等离子电位，减少对衬底的损伤。 （２）极板间距和腔体气压：极板间距较大时， 对衬底的损伤较小，但间距不宜过大，否则会加重 电场的边缘效应，影响淀积的均匀性。反应腔体的 尺寸可以增加生产率，但是也会对厚度的均匀性 产生影响。 ３．２．２射频电源的工作频率 射频ＰＥＣＶＤ通常采用５０ ｋＨｚ－１３．５６ ＭＨｚ频 段射频电源，频率高，等离子体中离子的轰击作用 强，淀积的薄膜更加致密，但对衬底的损伤也比较 大。高频淀积的薄膜，其均匀性明显好于低频，这 时因为当射频电源频率较低时，靠近极板边缘的 电场较弱，其淀积速度会低于极板中心区域，而频 率高时则边缘和中心区域的差别会变小。 ３．２．３射频功率 射频的功率越大离子的轰击能量就越大，有 利于淀积膜质量的改善。因为功率的增加会增强 气体中自由基的浓度，使淀积速率随功率直线上 升，当功率增加到一定程度，反应气体完全电离， 自由基达到饱和，淀积速率则趋于稳定。 气压太低会影响薄膜的淀积机理，导致薄膜 的致密度下降，容易形成针状态缺陷；气压过高 时，等离子体的聚合反应明显增强，导致生长网络 规则度下降，缺陷也会增加。 ３．２．５衬底温度 衬底温度对薄膜质量的影响主要在于局域态 密度、电子迁移率以及膜的光学性能，衬底温度的 提高有利于薄膜表面悬挂键的补偿，使薄膜的缺 陷密度下降。 衬底温度对淀积速率的影响小，但对薄膜的 质量影响很大。温度越高，淀积膜的致密性越人， 高温增强了表面反应，改善了膜的成分。 ４结束语 以上是对ＰＥＣＶＤ设备遇到问题的 一些体会， ＰＥＣＶＤ工艺是一门复杂的工艺，要保证淀积薄膜 的质量，除了要保证设备的稳定性外，还必须掌握 和精通其工艺原理及影响薄膜质量的各种因素， 以便在出现故障时，能迅速分析出导致故障的原 因。另外，对设备的日常维护和保养也非常重要。 参考文献： 【１］ 陈建国，程宇航，吴一平，等．射频一直流等离了体增 强化学气相淀积设备的研制［Ｊ】＿真 与低温，１９９８，４ （１）：３０—３４． ［２］Ｈ．Ｎａｋａｙａ，Ｍ．Ｎｉｓｈｉｄａ，Ｙ Ｔａｋｅｄａ，ｅｔ ａ１．Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ『Ｚ］．１１９２，３４５—３５６． ［３］ 陈萌炯．ＲＦ—ＰＥＣＶＤ和ＤＢＤ—ＰＥＣＶＤ制备ａ—Ｓｉ：Ｈ薄 膜的性能研究及其比较［Ｄ］．浙江：浙江大学，２００６． 【４］ 刘国汉，丁毅，朱秀红，等．ＨＷ．ＭＷＥＣＲ．ＣＶＤ法制备 氢化微晶硅薄膜及其微结构研究【Ｊ】．物理学报，２００２， ５５（１ １）：６１４７—６１５０． 曹健（１９８１ ），河北冀州人，２００４年毕业于天津大学 工程师，从事半导体设备维修工作。