PECVD原理和設備結構

1、 PECVD PECVD的原理及設備結構的原理及設備結構3SiH4+4NH3 Si3N4+12H2 氮化硅顏色與厚度的對照表氮化硅顏色與厚度的對照表顏色厚度（nm）顏色厚度（nm）顏色厚度（nm）硅本色0-20很淡藍色100-110藍 色210-230褐 色20-40硅 本 色110-120藍綠色230-250黃褐色40-50淡 黃 色120-130淺綠色250-280紅 色55-73黃 色130-150橙黃色280-300深藍色73-77橙 黃 色150-180紅 色300-330藍 色77-93紅 色180-190淡藍色93-100深 紅 色190-210均勻性分析n管式PECVD系統(tǒng)由于

2、其石墨舟中間鏤空，因此利用了硅片作為電極的一部分， 因此輝光放電的特性就與硅片表面的特性有了一定的關系，比如硅片表面織構化所生成的金子塔尖端的狀態(tài)就對等離子體放電產(chǎn)生影響，而目前硅片的電導率的不同 也影響到等離子場的均勻性n管式PECVD的氣流是從石英管一端引入，這樣也會造成工藝氣體分布的不均勻PECVD設備結構示意圖冷卻系統(tǒng)示意圖亮點色斑鍍膜時間太短水紋印色斑色差影響影響PECVD的工藝參量的工藝參量n（1）工作頻率、功率PECVD工藝是利用微波產(chǎn)生等離子體實現(xiàn)氮化硅薄膜沉積。微波一般工作頻率為2.45GHz，功率范圍為2600W3200W。高頻電磁場激勵下，反應氣體激活，電離產(chǎn)生高能電子和

3、正負離子，同時發(fā)生化學沉積反應。功率，頻率是影響氮化硅薄膜生長的重要因素，其功率和頻率調整不好，會生長一些有干涉條紋的薄膜，片內薄膜的均勻性非常差。. 工作頻率是影響薄膜應力的重要因素。薄膜在高頻下沉積的薄膜具有張應力，而在低頻下具有壓應力。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，相對來說，高頻薄膜的沉積均勻性優(yōu)于低頻氮化硅薄膜。在低頻下等離子體的離化度較高，離子轟擊效應明顯，因此有助于去除薄膜生長中的一些結合較弱的原子團，在氮化硅薄膜沉積中，主要是一些含氫的原子團，因此，低頻氮化硅薄膜中的氫含量相對較低，薄

4、膜的沉積速率也較低，同時，離子轟擊使薄膜致密化，使薄膜密度較大并表現(xiàn)出壓應力。在高頻下，由于離子轟擊作用較弱，薄膜表現(xiàn)為張應力。近期的研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅薄膜的腐蝕速率與應力有密切的關系，壓應力對應于較低的腐蝕速率，而張應力對應于較高的腐蝕速率。（消除應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力和舒張應力相互抵消，從而形成無應力膜。但此方法局限性在于它受設備配置的限制，必須有兩套功率源；另外應力的變化跟兩個頻率功率源作用的比率的關系很敏感，壓應力和張應力之間有一個突變，重復性不易掌握，工藝條件難以控制）。. 功率對薄膜沉積的影響為：一方面，在PECVD工藝中，由于高能粒子

5、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基片表面的損傷，另一方面可以降低淀積速率，使得反應易于控制，制備的薄膜均勻，致密。另一方面，功率太低時不利于沉積出高質量的薄膜，且由于功率太低，反應物離解不完全，容易造成反應物浪費。因此，根據(jù)沉積條件，需要選擇合適的功率范圍。 影響影響PECVD的工藝參量的工藝參量n（2）壓力等離子體產(chǎn)生的一個重要條件是：反應氣體必須處于低真空下，而且其真空度只允許在一個較窄的范圍內變動。形成等離子體時，氣體壓力過大自由電子的平均自由程很短，每次碰撞在高頻電場中得到加速而獲得的能量很小，

6、削弱了電子激活反應氣體分子的能力，甚至根本不足以激發(fā)形成等離子體；而真空度過高，電子密度太低同樣也無法產(chǎn)生輝光放電。PECVD腔體壓強大約是0.12mbar，屬于低真空狀態(tài)（10210-1Pa），此時每立方厘米內的氣體分子數(shù)為10161013個，氣體分子密度與大氣時有很大差別，氣體中的帶電粒子在電場作用下，會產(chǎn)生氣體導電現(xiàn)象。低壓氣體在外加電場下容易形成輝光放電，電離反應氣體，產(chǎn)生等離子體，激活反應氣體基團，發(fā)生化學氣相反應。工藝上：壓強太低，生長薄膜的沉積速率較慢，薄膜的折射率也較低；壓強太高，生長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。影響影響PECVD的工藝參量的工藝

7、參量n（3）基板溫度用結晶理論進行解釋的話：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晶，希望在更低的溫度下生成；但是若從生長過程考慮，若想獲得更完整的結晶，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，缺陷和不純物的引入變得十分顯著。從工藝上說，溫度低可避免由于水蒸氣造成的針孔，溫度太低，沉積的薄膜質量無保證。高溫容易引起基板的變形和組織上的變化，會降低基板材料的機械性能；基板材料與膜層材料在高溫下會發(fā)生相互擴散，在界面處形成某些脆性相，從而削弱了兩者之間的結合力。因此在實際的

8、生長過程中可綜合考慮上述兩個因素，選擇合適的生長溫度，使薄膜的結晶程度達到最佳。本工藝中基片溫度大約在400。a. 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工藝的反應動力來自比襯底溫度高101000倍的“電子溫度”，因而襯底溫度的變化對膜的生長速率影響不大。b. 基板溫度與膜應力的關系：從低溫到高溫，應力的變化趨勢是從壓應力變?yōu)閺垜ΑＲ环N理論解釋為：壓應力是由于在膜的沉積過程中，到達膜表面的離子的橫向移動的速率太小，來不及到達其“正常”的晶格位置，被后來的離子覆蓋，這樣離子就相當于被阻塞在某一位置，最終就會膨脹，形成壓應力。張應力的形成是由于在膜的形成過程中，由于反應中

9、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不及填充中間產(chǎn)物留下的空位，最后形成的膜就會收縮，產(chǎn)生張應力。針對這種理論，膜在生長過程中，到達膜表面的離子的橫向移動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速率就相應趨小，而離子到達樣品的速度主要決定于離子的密度，決定于功率的大小，跟溫度基本無關，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，離子來不及橫向移到其“正?！钡木Ц裎恢镁捅缓髞淼碾x子覆蓋，必然造成阻塞，成膜厚，阻塞處膨脹，形成壓應力。高溫時，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

10、就比較容易脫附而逃離表面，返回到反應室中重新生成氣體分子，被真空泵抽走，排出反應室，結果在樣品的表面產(chǎn)生較多的空位，最終，生成的膜中由于空位較多，就會引起膜的收縮，從而易產(chǎn)生張應力。c. 基板溫度還與功率及 、 流量有關，后三者提高，則基板溫度也要相應提高。影響影響PECVD的工藝參量的工藝參量n（4）反應氣體（流量比，總流量）反應氣體為高純氨、高純氮氣和高純硅烷，主要反應氣體是高純氨氣和高純硅烷，氮氣主要用來調節(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 和高純 ，氣體流量大約為667sccm，1333sccm。從氮化硅（ ）分子式可知， / =（332）/（417）=

11、1.4為理想的質量比，理想的流量比為（1.40.599）/0.719=1.16。而在實際當中，硅烷的價格是較昂貴的，因此在生產(chǎn)過程中，廉價的氨氣適當過量以達到硅烷的較大利用率，而以總體的成本最低，經(jīng)濟效益最高為目的。因此，流量比選擇Si/N=1/2。在沉積過程中，如果硅烷的量比率過大，反應不完全，則尾氣中的硅烷含量高，過量的硅烷會與空氣中的氧氣進行劇烈反應，有火焰和爆破聲，對于生產(chǎn)操作不利，且也白白浪費硅烷，同樣氨氣和氮氣的過量也會造成浪費。因此流比的選擇必須圍繞較好的折射率和較佳的經(jīng)濟效率來考慮。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

12、量增加，反應生成物中的 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 使反應室內氣體濃度增加，氣體分子平均自由程變小，淀積到 表面的反應生成物減少，導致淀積速率隨 流量增加反而減少。b. 沉積氮化硅薄膜時，反應氣體 和 的流量比是影響薄膜的成分和電學性能的重要因素， 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構。 流量增大使反應氣體中的 原子數(shù)增多，從而使薄膜中 /N增大，當 /N比超過0.8時，氮化硅薄膜富 ，因此薄膜的絕緣性能下降。當 流量過小時，由于 的減少薄膜富N，同樣使薄膜的絕緣性能下降。為了獲得生長速率適中以及均勻性好

13、的薄膜，對于選定的高頻電壓，反應室氣體壓力必須是相應確定的，當然這應該是相對于一定的真空泵抽氣速率而言，氣體壓力是進氣總量與抽氣速率動態(tài)平衡的結果。因而反應氣體的流量除了要按一定的相互比例調節(jié)以保證淀積膜的化學計量比之外，其總流量也必須是確定的，流量過大會造成過量的沉積和氣體的浪費，不足則會造成沉積量不夠，沉積的膜較薄，流量過大或過小都會影響膜的質量。影響影響PECVD的工藝參量的工藝參量n（5）反應腔的幾何形狀，體積反應腔的幾何形狀，體積影響真空泵的抽氣速率，及最后達到的抽氣壓，影響工藝過程。（6）電極空間早年的輝光放電器大多做成外電極的水平管式結構，這種結構無法得到均勻的電場，由于放電產(chǎn)物

14、的分布決定于空間電場的分布，電場不均勻，長出的膜也就不可能均勻。因此，無法在大面積上淀積均勻膜。采用等間距的平板電容器式內電極結構，使電場分布均勻，就解決了這個問題。n（7）薄膜折射率工藝生長的氮化硅薄膜厚度一般為80nm，折射率為2.02.2之間，其光學厚度為n=80（2.02.2）=160176nm，可知對應吸收最強烈的光波長應為（160176）4=640704nm,地面太陽光譜能量的峰值在波長500nm，而硅太陽電池的相對響應峰值在波長800900nm，故要求減反射膜對500900nm的光有最佳減反射效果。此種厚度氮化硅薄膜對波長為500900nm的光反射率相當?shù)?，最低值出現(xiàn)在700nm

15、左右，減反射效果非常好。對于采用封裝工藝的硅太陽電池組件來說，減反射膜的外界介質一般為硅橡膠，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，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，使得反應室中存在的少量氧氣也參加反應，由于氧的電負性大于氮，故氧可代替薄膜中Si-N鍵中氮的位置，導致薄膜中氧含量增加，使薄膜的折射率下降。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導致反射率升高，所以較優(yōu)的減反射膜折射率

16、應該控制在2.12左右。影響影響PECVD的工藝參量的工藝參量n（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間越短，如果抽速一定，則滯留時間不變。隨著淀積次數(shù)的增加，機械泵抽氣速率下降，維持規(guī)定的氣體流量反應室氣體壓力會不斷增高；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，而且技術指標也難以保證，因為雖然壓力不變，但在低抽速小流量情況下，氣體在反應室滯留時間增加，造成淀積速率上升，并且影響淀積均勻性。機械泵抽氣速率下降的原因是由于隨著工作時間的延續(xù)，泵體溫度升高，即使采用風冷或水冷裝置仍難以維持抽速不變，因為機械泵從反應室不斷抽出的畢竟是250以上

17、溫度的加熱氣體。解決這一問題可以考慮除了反應氣體之外，另加一股調節(jié)用的氮氣，每次淀積時保持有效反應氣體流量不變而不斷減少氮氣來補償抽氣速率的降低，從而維持氣體壓力不變?？墒侨绻@股氮氣通過反應室的話，將使反應氣體的濃度改變，反而會使淀積更加紊亂。我們可以考慮把這股調節(jié)氮氣設計成從反應室與機械泵之間進去而不經(jīng)過反應室，這樣不對設備作任何機械加工就可達到預期目的。（9）傳送帶速度傳送帶速度大約在70cm/min。傳送帶速度過快，膜層厚度小，太慢膜層厚度過大。厚度有時會產(chǎn)生尺寸效應,太薄和太厚的膜有時結構會不同。（10）沉積時間沉積時間太短，膜厚及折射率達不到要求。時間太長，會造成工藝氣體的浪費，增加工藝成本，同時也影響沉積膜質量。由于膜中都存在機械應力問題，當膜厚過高時，薄膜會開裂，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間。影響影響PECVD的工藝參量的工藝參量n（11