PECVD原理及應(yīng)用

PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vaper Deposition）是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積，該技術(shù)是在低氣壓下，利用低溫等離子體在工藝腔體的陰極上（即樣品放置的托盤）產(chǎn)生輝光放電，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，然后通入適量的工藝氣體，這些氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，最終在樣品表面形成固態(tài)薄膜。

所謂等離子體，是指氣體在一定條件下受到高能激發(fā)，發(fā)生電離，部分外層電子脫離原子核，形成電子、正離子和中性粒子混合組成的一種形態(tài)，這種形態(tài)就稱為等離子態(tài)。

PECVD的工藝原理：在反應(yīng)過程中，反應(yīng)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入爐腔，逐漸擴(kuò)散至樣品表面，在射頻源激發(fā)的電場作用下，反應(yīng)氣體分解成電子、離子和活性基團(tuán)等。這些分解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成形成膜的初始成分和副反應(yīng)物，這些生成物以化學(xué)鍵的形式吸附到樣品表面，生成固態(tài)膜的晶核，晶核逐漸生長成島狀物，島狀物繼續(xù)生長成連續(xù)的薄膜。在薄膜生長過程中，各種副產(chǎn)物從膜的表面逐漸脫離，在真空泵的作用下從出口排出。

首先，在非平衡等離子體中，電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級反應(yīng)，使得反應(yīng)氣體發(fā)生分解，形成離子和活性基團(tuán)的混合物；其次，各種活性基團(tuán)向薄膜生長表面和管壁擴(kuò)散運(yùn)輸，同時發(fā)生各反應(yīng)物之間的次級反應(yīng)；最后，達(dá)到生長表面的各種初級反應(yīng)和次級反應(yīng)產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng)，同時伴隨有氣相分子物的再放出。

PECVD的優(yōu)勢：

1、基本溫度低（300-500°C）；

2、沉積速率快；

3、成膜質(zhì)量好，針孔少，不易龜裂

 

PECVD設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)：

PECVD設(shè)備主要由真空和壓力控制系統(tǒng)、淀積系統(tǒng)、氣體及流量控制、系統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制等部分組成。其設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1、真空和壓力控制系統(tǒng)

真空和壓力控制系統(tǒng)包括機(jī)械泵、分子泵、粗抽閥、前級閥、閘板閥、真空計(jì)等。為了減少氮?dú)�、氧氣以及水蒸氣對淀積工藝的影響，真空系統(tǒng)一般采用干泵和分子泵進(jìn)行抽氣，干泵用于抽低真空，與常用的機(jī)械油泵相比，可以避免油泵中的油氣進(jìn)入真空室污染基片。在干泵抽到一定壓力以下后，打開閘板閥，用分子泵抽高真空。分子泵的特點(diǎn)是抽本體真空能力強(qiáng)，尤其是除水蒸汽的能力非常強(qiáng)。

2、淀積系統(tǒng)

淀積系統(tǒng)由射頻電源、水冷系統(tǒng)、基片加熱裝置等組成。它是PECVD的核心部分。射頻電源的作用是使反應(yīng)氣體離子化。水冷系統(tǒng)主要為PECVD系統(tǒng)的機(jī)械泵、羅茨泵、干泵、分子泵等提供冷卻，當(dāng)水溫超過泵體要求的溫度時，它會發(fā)出報警信號。冷卻水的管路采用塑料管等絕緣材料，不可用金屬管。基片加熱裝置的作用使樣品升溫到工藝要求溫度，除掉樣品上的水蒸氣等雜質(zhì)，以提高薄膜與樣品的附著力。

3、氣體及流量控制系統(tǒng)

PECVD系統(tǒng)的氣源幾乎都是由氣體鋼瓶供氣，這些鋼瓶被放置在有許多安全保護(hù)裝置的氣柜中，通過氣柜上的控制面板、管道輸送到PECVD的工藝腔體中。

在淀積時，反應(yīng)氣體的多少會影響淀積的速率及其均勻性等，因此需要嚴(yán)格控制氣體流量，通常采用質(zhì)量流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)精確控制。

 

影響工藝的因素：

影響PECVD工藝質(zhì)量的因素主要有以下幾個方面：

1、極板間距和反應(yīng)室尺寸

PECVD腔體極板間距的選擇要考慮兩個因素：

（1）起輝電壓：間距的選擇應(yīng)使起輝電壓盡量低，以降低等離子電位，減少對襯底的損傷。

（2）極板間距和腔體氣壓：極板間距較大時，對襯底的損傷較小，但間距不宜過大，否則會加重電場的邊緣效應(yīng)，影響淀積的均勻性。反應(yīng)腔體的尺寸可以增加生產(chǎn)率，但是也會對厚度的均勻性產(chǎn)生影響。

2、射頻電源的工作頻率

射頻PECVD通常采用50kHz~13.56MHz頻段射頻電源，頻率高，等離子體中離子的轟擊作用強(qiáng)，淀積的薄膜更加致密，但對襯底的損傷也比較大。高頻淀積的薄膜，其均勻性明顯好于低頻，這時因?yàn)楫?dāng)射頻電源頻率較低時，靠近極板邊緣的電場較弱，其淀積速度會低于極板中心區(qū)域，而頻率高時則邊緣和中心區(qū)域的差別會變小。

3、射頻功率

射頻的功率越大離子的轟擊能量就越大，有利于淀積膜質(zhì)量的改善。因?yàn)楣β实脑黾訒�增�?qiáng)氣體中自由基的濃度，使淀積速率隨功率直線上升，當(dāng)功率增加到一定程度，反應(yīng)氣體完全電離，自由基達(dá)到飽和，淀積速率則趨于穩(wěn)定。

4、氣壓

形成等離子體時，氣體壓力過大，單位內(nèi)的反應(yīng)氣體增加，因此速率增大，但同時氣壓過高，平均自由程減少，不利于淀積膜對臺階的覆蓋。氣壓太低會影響薄膜的淀積機(jī)理，導(dǎo)致薄膜的致密度下降，容易形成針狀態(tài)缺陷；氣壓過高時，等離子體的聚合反應(yīng)明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致生長網(wǎng)絡(luò)規(guī)則度下降，缺陷也會增加。

5、襯底溫度

襯底溫度對薄膜質(zhì)量的影響主要在于局域態(tài)密度、電子遷移率以及膜的光學(xué)性能，襯底溫度的提高有利于薄膜表面懸掛鍵的補(bǔ)償，使薄膜的缺陷密度下降。

襯底溫度對淀積速率的影響小，但對薄膜的質(zhì)量影響很大。溫度越高，淀積膜的致密性越大，高溫增強(qiáng)了表面反應(yīng)，改善了膜的成分。

 

PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積應(yīng)用：

• 等離子誘導(dǎo)表面改性：就是通常所說的用等離子實(shí)現(xiàn)表面改性(如親水性、疏水性等)

• 等離子清洗：去除有機(jī)污染物

• 等離子聚合：對材料表面產(chǎn)生聚合反應(yīng)

• 沉積二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、DLC(類金剛石)，以及其它薄膜

• CNT(碳納米管)和石墨烯的選擇性生長：在需要的位置生長CNT或石墨烯

 

PECVD經(jīng)典應(yīng)用：

PECVD的經(jīng)典應(yīng)用之一是在晶體硅太陽能電池上沉積SiNx減反射薄膜，可以充分吸收太陽光，降低反射，并且氮化硅膜有鈍化的作用，保護(hù)電池片不受污染。

1、減反射

利用光的干涉原理，通過調(diào)整膜厚與折射率，使得R1與R2相消干涉，達(dá)到減反射的目的。要達(dá)到此目的，對膜厚和折射率的要求如下：

 

2、鈍化

由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氫，可以很好的鈍化硅中的位錯、表面懸掛鍵，從而提高了硅片中載流子遷移率，一般要提高20%左右，同時由于SiN薄膜對單晶硅表面有非常明顯的鈍化作用。

面鈍化的主要作用是保護(hù)半導(dǎo)體器件表面不受污染物質(zhì)的影響，表面鈍化可降低表面態(tài)密度。

體鈍化在SiN減反射膜中存在大量的H，在燒結(jié)過程中會鈍化晶體內(nèi)部懸掛鍵。