龙长林,吴 限,陈国钦,程文进

(中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南 长沙 410205)

1 引 言

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术是借助于辉光放电等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应,从而实现薄膜材料生长的一种新的制备技术。与常压化学气相沉积(APCVD)和低压化学气相沉积(LPCVD)利用热能来激活和维持化学反应相比,PECVD 技术是通过反应气体放电来制备薄膜的,有效地利用了非平衡等离子体的反应特征,从根本上改变了反应体系的能量供给方式。

PECVD方法淀积的SiO2薄膜优于其具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质,常作为金属层间介质、钝化层等,被广泛运用在半导体材料,集成电路的制造工艺中[1]。本文在介绍PECVD设备的基础上探讨了PECVD法制备SiO2薄膜的膜厚均匀性与结构及工艺参数之间的关系。

2 系统原理

PECVD法制备SiO2薄膜的基本原理如图1所示。

图1 PECVD法制备SiO2薄膜的原理Fig.1 Principle of SiO2 thin films prepared by PECVD

为了采用PECVD法制备均匀的SiO2薄膜,通常利用SiH4和N2O实现以下反应:

SiH4+N2O → SiO2+H2+N2

PECVD设备的工作原理,是将基片放置在两平行平板电极之间,两电极为上下结构,工艺气体通入反应室后,两电极之间的反应气体在射频电磁场的作用下辉光放电形成低温低压等离子体,离子化的气态原子重新组合形成新的固态物质沉积在基片上。反应气体经多孔喷淋板形成均匀的气流,喷淋到基片表面,保证沉积薄膜的均匀性。

3 系统组成

系统主要由反应室、射频源、喷淋板、基片台、真空气路系统以及控制系统等部分组成,如图2所示。

图2 设备组成示意图Fig.2 Equipment composition diagram

3.1 传送腔

传送腔配置有局部净化和机械手等，主要负责将基片自动送入和取出反应室，并保证在装载基片和传送过程中的洁净环境。

3.2 反应室

反应室底面装有水冷环，在加热过程中对腔室起到冷却作用，从而使反应室环境温度基本保持不变，保证镀膜工艺稳定；侧壁上配置有观察窗，可以查看反应室内部辉光放电情况。

3.3 喷淋板

喷淋板安装在反应室内部上盖部分，其主要作用是将反应气体均匀分散在衬底表面，以促进更加均匀的薄膜沉积。喷淋板同时用作PECVD装置的上电极，配合下电极在反应室内将气体激发为等离子体。

3.4 基片台

基片台安装在反应室内部底板上，作为电极板的下电极，在射频源的作用下，配合上电极实现等离子体的激发。同时基片台提供加热功能，采用电阻丝加热，基片温度由热偶检测，反馈至工控机实现自动控温。

3.5 射频源

系统配备了高频(13.56 MHz)和低频(400 kHz)两种电源，两种电源可选同时工作、交替工作、单独工作三种模式[2]，在本文的实验中，选取高频电源单独工作模式。

3.6 真空气路系统

真空系统主要用来保证工艺反应腔的洁净度及反应所需的压力，气路系统采用质量流量控制器和气动阀，精准和稳定控制反应物的成分与比例。

3.7 控制系统

控制系统采用工控机与PLC相结合的总体设计，以PLC作为下位机的控制核心单元，实现真空气路泵阀、射频电源等部件级的底层控制及安全互锁。上位机主要面向用户提供友好的人机界面和操作提示。

4 工艺试验

4.1 实验条件

基片采用8英寸Si片,采用的射频频率为 13.56 MHz,射频功率的调整范围为 50～120 W；沉积前的本底压力为5×10-3Pa,工艺压力由蝶阀调节,工艺压力范围为10～100 Pa；SiH4与N2O的流量比例以及基片台加热温度保持恒定；喷淋板的孔结构粗通孔、细通孔、细锥孔三类结构形式,如图3所示为喷淋板的俯视示意图,图4(a)所示为粗通孔结构,图4(b)所示为细通孔结构、图4(c)所示为细锥孔结构。通过光学测厚仪测量,SiO2薄膜的厚度和折射率。

图3 喷淋板结构俯视示意图Fig.3 Top view of spray plate structure

图4 喷淋板结构示意图Fig.4 Structural diagram of spray plate

4.2 膜厚均匀性实验

4.2.1 实验设计

在等离子增强化学沉积技术中,结构参数如喷淋板孔径尺寸及孔结构类型(如通孔、锥形孔)、极板间距等,均能影响薄膜的均匀性[3]。同时,工艺参数如压力大小也能改变薄膜的均匀性。本文重点研究8 in SiO2薄膜的膜厚均匀性与喷淋板孔径大小、孔结构类型之间的关系,以及工艺压力对薄膜均匀性的影响。

4.2.2 测试方法

每片取若干特定测量点,用光学膜厚仪测量基片表面膜层厚度,并记录全部测量值,经数据处理计算膜厚均匀性数值。特定测量点取点方法:基片为Φ200 mm圆片,按9点法取测量点,测量点位置如图5所示。

图5 基片膜厚测量取点示意图Fig.5 Schematic diagram of substrate film thicknessmeasurement points

测量完成后,对数据进行如下处理:

工艺试验所得的所有基片根据特定点取点示意图位置所得测量值,按公式(1)计算基片的膜厚均匀性S1:

4.2.3 实验结果分析

由图6、表1及图7可以看出,SiO2薄膜的膜厚均匀性数值随喷淋板孔径的减小而降低,并且锥孔结构优于通孔结构。其原因是,喷淋板孔径较大时,喷淋板下方的等离子体通过较大的孔径返流,产生异常放电和气体堆积[4],从而导致薄膜均匀性变差；通过减小喷淋板孔径,同时,将气孔入口设计得比气孔出口略大,即设计成上大下小的锥孔等结构形式,能防止等离子体的返流[5],从而改善膜厚的均匀性。

图6 膜厚均匀性与喷淋板孔结构的关系Fig.6 Relationship between film thickness uniformityand hole structure of spray plate

表1 SiO2膜厚均匀性与喷淋板结构的关系Tab.1 Relationship between uniformity of SiO2 filmthickness and spray plate structure

图7 不同喷淋板孔结构的SiO2薄膜实物图Fig.7 Physical drawing of SiO2 film with differentstructure of spray plate

由图8与表2可以看出,SiO2薄膜的膜厚均匀性数值随工艺气压的降低,先减少后增大。其原因是基片上方的气流由圆心沿径向方向流向边缘,在压力过高时,等离子体较多聚集在基片中间,导致SiO2薄膜呈现中间厚边缘薄；在压力过低时,等离子体较多聚集在基片边缘区域,导致SiO2薄膜呈现中间薄边缘厚。

图8 膜厚均匀性与工艺压力的关系Fig.8 Relationship between film thickness uniformityand process pressure

表2 SiO2膜厚均匀性与工艺压力的关系Tab.2 Relationship between thickness uniformity ofSiO2 film and process pressure

5 结 论

本文采用自主研制的PECVD设备,以SiH4和N2O为反应气体,制备SiO2薄膜。利用光学膜厚测试仪对制得的SiO2薄膜的厚度、膜厚均匀性等性能指标进行了测试,探讨了喷淋板孔结构与工艺压力对SiO2薄膜性能的影响。结果表明:SiO2薄膜的膜厚均匀性与喷淋板的孔结构关系密切,通过减小喷淋板孔径,同时,将气孔入口设计得比气孔出口略大,能显著改善膜厚均匀性；在工艺参数方面,薄膜均匀性主要受反应腔室压力的影响,通过实验优化工艺压力参数,能制备出径向方向均匀性较优的薄膜。本文后续将研究台阶孔等结构的喷淋板对均匀性的影响。