lithography..doc

第二章、PECVD 南京大学扬州光电研究院 第一部分、工艺原理 1.1.PECVD的基本原理 PECVD全称为Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，即等离子体增强化学气相沉积。它的基本原理是在密闭反应腔中通入制程气体，通过控制制程气体的流量及反应腔真空泵的抽气速率使气压维持在某一设定值。再向反应腔输入直流、高频或微波功率，产生气体放电，形成等离子体。在等离子体中，由于低速电子与制程气体分子碰撞，除产生正、负离子外，还会产生大量的活性基，从而可大大增强反应气体的活性。因此，在相对较低的温度下，即可发生反应，实现薄膜沉积。例如，沉积Si3N4薄膜，若采用NPCVD或LPCVD，需要1000℃的高温，而采用PECVD，则在300℃左右即可。 1.2.PECVD的主要应用领域 PECVD目前已广泛应用一些绝缘介质薄膜的低温沉积O (g) → 3SiO2 (s) + 4NH3 (g) +4N2 (g) 沉积Si3N4薄膜：3SiH4 (g) + 4NH3 (g) → Si3N4 (s) + 12H2 (g) 注：PECVD沉积的薄膜，其成分不一定完全满足化学配比。 第二部分、设备原理 2.1.PECVD的反应腔 图1为典型的PECVD反应腔示意图。腔体中有一对平行板式的电极（即图中的Top electrode和Lower electrode），这表明等离子体的功率输入方式为电容耦合方式。制程气体从反应腔顶部通入，经过上电极平板上的多个小孔，均匀地扩散到整个反应腔中。因此上电极同时也起淋喷头（shower head）式分气盘的作用，如图2所示。采用频率为13.56MHz的工业射频电源，通过电容耦合方式向反应腔中的制程气体输入能量，产生气体放电，形成等离子体。样品置于下电极上，下电极不仅是样品的托盘（chuck），同时可对样品进行加热。根据制程需要，实现不同温度下薄膜沉积。 图1、典型的PECVD反应腔结构示意图 （图中的制程气体以制备Si3N4薄膜所需的SiH4和NH3为例） 图2、从反应腔视窗中拍摄的淋喷头式分气盘 在等离子体中，除了离子、电子之外，还有处于激发态的原子、分子以及由分子解离而形成的活性基。激发态的原子和分子退激发时会发出特征谱线的光。因此，不同的制程气体形成的等离子体通常具有不同的颜色。图3为从反应腔视窗中拍摄的制程气体形成的等离子体照片。 对于等离子体的功率输入方式，除了电容耦合型之外，还有电感耦合型。此外，电极设在反应腔之内的为内部电极型，电极设在反应腔之外的为无极放电型。 图3、制程气体形成的等离子体照片：(a)未形成等离子体(b)已形成等离子体。 2.2.PECVD的反应腔压力控制 2.2.1. MFC (Mass Flow Controller) MFC即质量流量控制器，它不仅能精确地探测气体流量，具备流量计的功能，同时还能精确控制气体流量。对于常用的体积流量计（如：浮子流量计）而言，当温度、压力改变时，相同体积的流量指示下，实际气体的克分子流量将发生较大变化。与体积流量计不同的是，MFC不会受气体压力、温度波动的影响。典型的MFC外观及组成结构如图4所示。MFC主要由质量流量传感器、气体旁路、控制阀以及承载信号放大与运算处理电路的PCB电路板组成。 图4、典型的MFC外观及组成结构示意图 MFC的核心部件是质量流量传感器和控制阀，其基本原理示意图如图5表示。质量流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量，具有温度、压力自动补偿特性。毛细管上下游各设置一个温度探测点，中部为加热器。当质量流量传感器工作时，中部的加热器对毛细管加热。若没有气体流动，上下游温度探测点的温差为零。若有气体流动，上游温度探测点温度降低，下游温度探测点温度升高。热电偶输出的电压信号可精确地反映气体的质量流量变化。调节气体流量的控制阀常采用压电控制阀，通过改变阀门的开启间隙，实现调节气体流量的目的。 图5、MFC流量探测及流量控制部件原理示意图 2.2.2. APC (Adaptive Pressure Controller) APC即自动控压阀，通常又称为Throttle valve（节流阀）或Butterfly valve（蝶阀）。典型的APC外观及组成结构如图5所示。 图6、APC外观及结构示意图 2.3.PECVD的抽真空及尾气处理系统 由于PECVD系统中可能用到腐蚀性、毒性及易燃易爆的制程气体，抽真空系统通常采用极限真空度较高、排气量大且耐腐蚀的真空泵，如罗茨泵与旋片式无油真空泵级联。 第三部分、操作方法 注：主要针对台湾AST Cede-100S ICP刻蚀机 PECVD外观 4.1在M