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管式PECVD 鍍膜均勻性改善

1.1 實驗設計

1.1.1 實驗材料、設備

      實驗材料：本實驗所用硅片為市售常規p 型多晶硅片，尺寸為156.75mm×156.75 mm，電阻率為1～3 Ω?cm，厚度為180±30 μm。

      實驗設備：使用RENA 制絨設備制絨，采用Cent r o therm 管式PECVD 設備及設備自身配置的石墨舟鍍膜，采用致東光電D8-4 絨面反射儀測試硅片反射率，采用s entech 激光橢偏儀測試硅片鍍膜后的膜厚及折射率，使用GP COl-Q 顏色檢驗設備測試鍍膜后硅片的顏色。

1.1.2 片內、片間均勻性表征方式

      鍍膜均勻性包括片內均勻性和片間均勻性兩方面。

      1) 片內均勻性表征方式。鍍膜后的硅片用同一激光橢偏儀測試膜厚和折射率，用于測試的5片硅片均取自同一位置，每片硅片均測試5 個固定點，即1 個中心點和4 個角，根據測試數據用標準差來表征片內均勻性。

      2) 片間均勻性表征方式。使用GP COl-Q 顏色檢驗設備測試鍍膜后硅片的顏色，根據測試數據用標準差來表征片間均勻性。

1.2 實驗內容

      1) 本實驗的PECVD鍍膜工藝采用雙層鍍膜，工藝參數對氮化硅薄膜的沉積速率有重要影響。為保證數據的準確性，將同批次的硅片均勻分為若干組，在其他工藝條件相同的情況下依次改變以下參數：腔體內、外層氣壓，內層反應氣體的配比，反應氣體總氣流量，腔體中反應溫度，射頻功率。

      2) 測試不同硅片制絨面反射率對鍍膜均勻性的影響。

      3) 石墨舟是承載硅片的載體，也是氮化硅薄膜沉積的載體，石墨舟狀態是否良好會直接影響氮化硅薄膜沉積的均勻性。實驗對比新、舊石墨舟對鍍膜均勻性的影響。

2.1 工藝參數對鍍膜均勻性的影響

2.1.1 腔體內、外層氣壓

      表1 為腔體內層氣壓固定時，不同的外層氣壓對鍍膜均勻性的影響。

      由表1 可知， 當內層氣壓為固定的1700mTorr、外層氣壓分別為1500～1800 mTorr 時，外層氣壓越低，片間均勻性的數值越小，表明其均勻性越好。而片內均勻性的數值越小，表明其均勻性有改善的趨勢。

      本次實驗中發現，外層氣壓并非越低越好。當外層氣壓分別為1500～1700 mTorr 時，經管式PECVD 鍍膜后，硅片外觀正常。但經過高溫退火處理后，采用Zeta 3D 顯微鏡觀察發現，外層氣壓為1500 mTorr 時，硅片表面出現了密集的小白點，為花斑片；外層氣壓為1600 mTorr 時，偶爾會出現花斑片；外層氣壓

為1700 mTorr 時，無花斑片。因此，外層氣壓為1700 mTorr 時最佳。圖1 為在不同外層氣壓下鍍膜并高溫退火后在Zeta 3D 顯微鏡下的硅片表面對比圖。

      硅片表面出現小白點的原因主要是由于隨著外層氣壓降低，等離子體沉積速率降低，膜層結構致密[3]。在膜層結構致密的情況下，高溫退火處理時內層的Si-N 和N-H 鍵被破壞，大量氫原子逸出薄膜表面[4-5]，而外層高致密膜阻擋了氫原子溢出，薄膜就容易起泡，產生針孔狀小白點[6]。

      表2 為腔體外層氣壓固定時，不同的內層氣壓對鍍膜均勻性的影響。由表2 可知，內層氣壓越低，硅片片內均勻性略有改善，但片間均勻性變差。

2.1.2 內層反應氣體的配比

      表3為外層氮硅比(即氨氣和硅烷氣體的比值)不變時，不同內層氮硅比對鍍膜均勻性的影響。

      由表3 可知，當外層氮硅比不變時，適當增加內層氮硅比，片內及片間均勻性均得到改善。其原因在于增加內層氮硅比后，等離子氣體中的活性硅離子含量下降，導致中間態物質Si(NH2)3下降，從而降低了氮化硅薄膜生產速率[7-8]，改善了硅片片內及片間色差。

2.1.3 反應氣體總氣流量

      將同批次實驗硅片均勻分為3 組，每組240 片，內層反應氣體的氮硅比固定為4.079，外層反應氣體的氮硅比固定為10.256；然后改變反應氣體總氣流量，觀察其對鍍膜均勻性的影響，具體影響情況如表4 所示。

      由表4 可知，內層反應氣體總氣流量相對較小，增加內層反應氣體總氣流量可改善腔體內反應氣體的氣體分布密度，縮小片間差異[9]，改善片間均勻性。但是提高腔體內層或外層反應氣體總氣流量，單位體積內等離子氣體中的活性硅離子含量也隨之增加[8]，薄膜生長速率增加，導致片內均勻性明顯變差。

2.1.4 射頻功率

      射頻功率是影響沉積速率的主要因素，射頻功率越大，沉積速率越大[6]，鍍膜均勻性越差。表5 為射頻功率對鍍膜均勻性的影響，由圖可知，射頻功率增至8000 W時，片間、片內均勻性均變差。

2.1.5 腔體中反應溫度

      腔體中反應溫度的控制主要表現在調節石墨舟各溫區的直接鏈接變量(direct link varaiation，DLV) 和清理腔體內部碎片這兩方面。圖2 為石墨舟各溫區的示意圖。

      圖3 為同機臺、同爐管時，調節DLV 值控制腔體中石墨舟各區溫度對硅片片間均勻性的影響。可以看出，調節DLV 后硅片內部厚度標準偏差有所降低，說明改善了硅片片間均勻性。

      圖4 為調節DLV 值前后石墨舟各溫區片間均勻性對比情況。由圖4 可知，DLV 調節后石墨舟各溫區片間均勻性得到改善。

      腔體內碎片過多會影響熱電偶測溫，使腔體內實際溫度和測定溫度不一致，導致等離子在石墨舟內硅片上沉積速率存在差異[10]，同時還會影響腔體內部進氣及氣流傳輸過程的穩定性，導致片間均勻性變差。因此需要對腔體內部碎片進行清理。圖5 為同一機臺掏爐管清理腔體內部碎片前后硅片片間均勻性的差異。

      圖6 為掏爐管清理腔體內部碎片前后石墨舟內各溫區片間均勻性的差異。由圖可知，各溫區片間均勻性均有明顯改善。