本文介紹了CVD薄膜質(zhì)量的影響因素及故障排除。

CVD薄膜質(zhì)量影響因素

以下將以PECVD技術(shù)沉積薄膜作為案例，闡述影響薄膜品質(zhì)的幾個(gè)核心要素。

PECVD工藝質(zhì)量主要受氣壓、射頻能量、襯底溫度、射頻源的工作頻率、電極板間距以及反應(yīng)腔體大小等因素的影響。

在等離子體生成階段，若氣體壓力過高，會(huì)加快反應(yīng)速率，但同時(shí)會(huì)縮減氣體分子的平均自由程，這不利于薄膜在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的覆蓋。相反，若氣壓過低，則可能導(dǎo)致薄膜的密度降低，增加形成孔隙的風(fēng)險(xiǎn)。

射頻能量的增強(qiáng)會(huì)提升離子的撞擊能量，起初隨著能量的增加，沉積速率會(huì)上升。但當(dāng)能量增加到一定程度，反應(yīng)氣體完全電離后，沉積速率將趨于平穩(wěn)。

基板溫度主要對(duì)薄膜的電子遷移率和光學(xué)特性產(chǎn)生影響。溫度的升高有助于提升薄膜的致密度，降低缺陷的密度。

PECVD工藝中，射頻源通常工作在50kHz至13.56MHz的頻率范圍內(nèi)。較高的頻率意味著離子撞擊效應(yīng)更為強(qiáng)烈，可以生成更致密的薄膜。同時(shí)，高頻條件下沉積的薄膜均勻性更佳，但也可能對(duì)基板造成更大的損傷。

在PECVD工藝中，電極板間距的選擇需盡量降低起輝電壓，以減少對(duì)基板的損傷。較大的電極板間距雖然能減輕對(duì)基板的損傷，但過大的間距可能會(huì)影響薄膜的均勻性。此外，反應(yīng)腔體的擴(kuò)大雖然能提高生產(chǎn)效率，但也可能導(dǎo)致薄膜均勻性的下降。

CVD故障檢查及排除

仍以PECVD工藝為例，PECVD設(shè)備常見問題有無法起輝、輝光不穩(wěn)、淀積速率低、薄膜質(zhì)量差、反應(yīng)腔體壓強(qiáng)不穩(wěn)定等，這些故障對(duì)應(yīng)的處理措施如下：

無法起輝問題

真空度差，檢查腔體的真空度，確保其處于正常狀態(tài)

2.射頻電源故障，檢查射頻電源的輸出功率，排除電源故障的可能性

3.反應(yīng)氣體進(jìn)氣量少，觀察氣體流量計(jì)的讀數(shù)，若讀數(shù)偏低，則嘗試增加氣體輸入量

4.射頻汽配店路故障，檢查射頻匹配電路，確保反射功率在正常范圍內(nèi)，同時(shí)檢查電路中的電容與電感組件是否完好

5.腔體極板清潔度差，使用萬用表測試腔體上下極板的對(duì)地電阻，若電阻值不達(dá)標(biāo)，則需對(duì)極板進(jìn)行清潔

輝光不穩(wěn)定現(xiàn)象

真空室氣壓不穩(wěn)，檢查真空系統(tǒng)的密封性，防止氣體泄漏，并監(jiān)控進(jìn)氣量，確保其穩(wěn)定性，避免波動(dòng)

2.電源電流不穩(wěn)定，測量電源電流，確保供電的穩(wěn)定性

3.電纜故障，檢查電纜連接，確保接觸良好，無松動(dòng)現(xiàn)象

沉積速率低下問題

真空腔體的氣壓較低，調(diào)整工藝氣體的流量，以提升腔室氣壓

2.射頻功率不匹配，優(yōu)化射頻功率的設(shè)置，以達(dá)到理想的沉積速率

3.樣品溫度異常，檢查樣品的冷卻系統(tǒng)，確保樣品溫度處于正常范圍薄膜質(zhì)量不達(dá)標(biāo)情況

薄膜質(zhì)量不達(dá)標(biāo)問題

樣品表面清潔度差，清潔樣品表面，去除所有污染物，確保表面潔凈

2.樣品溫度異常，校準(zhǔn)熱電偶，檢查溫控系統(tǒng)，確保樣品溫度控制的精確性

3.工藝腔體清潔度差，清潔工藝腔室，去除所有殘留物，保持腔室清潔

4.薄膜沉積過程中壓強(qiáng)異常，監(jiān)控沉積過程中的腔室壓力，及時(shí)檢查并修復(fù)可能的真空泄漏

5.射頻功率不匹配，調(diào)整射頻功率設(shè)置，確保其符合工藝要求，以提高薄膜質(zhì)量

反應(yīng)腔室壓力波動(dòng)問題

校驗(yàn)氣體流量計(jì)的準(zhǔn)確性，確保其讀數(shù)無誤

2.檢查真空泵的運(yùn)行狀態(tài)，確保其正常無故障

3.確認(rèn)閥門開關(guān)操作無誤，無卡滯或泄漏現(xiàn)象

4.檢查真空系統(tǒng)的波紋管，確保其完整無損，無裂紋或泄漏點(diǎn)

顆粒清除

在LPCVD工藝中，由于其熱壁特性，反應(yīng)器內(nèi)壁容易積聚顆粒。盡管通過降低氣相反應(yīng)物的分壓可以在一定程度上減少顆粒沉積，但是治標(biāo)不治本。熱壁反應(yīng)器的長期穩(wěn)定運(yùn)行依賴于定期的清洗維護(hù)，以徹底清除腔內(nèi)的顆粒。

清洗方法主要分為兩種：離線清洗與原位清洗。傳統(tǒng)的離線清洗方式涉及拆卸并更換已污染的石英管，隨后手動(dòng)旋轉(zhuǎn)浸泡在氫氟酸中的管道進(jìn)行清潔。然而，出于生產(chǎn)和安全考慮，業(yè)界更傾向于采用原位清洗技術(shù)。例如，利用氟氣（可激發(fā)為等離子體）與反應(yīng)器內(nèi)壁上的固體沉積物反應(yīng)，生成揮發(fā)性產(chǎn)物并排出系統(tǒng)。LPCVD的原位清洗技術(shù)不僅縮短了設(shè)備停機(jī)時(shí)間，還有效降低了顆粒數(shù)量，同時(shí)減少了人員與化學(xué)物質(zhì)的直接接觸。

相比之下，PECVD工藝采用冷壁設(shè)計(jì)，其中硅片被加熱至高溫，而其他部分保持低溫。這種冷壁反應(yīng)產(chǎn)生的顆粒較少，從而減少了清洗的頻率和時(shí)間。此外，PECVD反應(yīng)腔還具備在沉積前利用等離子體對(duì)硅片進(jìn)行預(yù)處理的能力，這種原位清潔技術(shù)能有效去除硅片在裝載過程中引入的污染物。

等離子體輔助的清潔技術(shù)主要分為RF等離子體清潔與遠(yuǎn)程等離子體清潔兩類。在RF等離子體清潔過程中，采用氟碳化合物（如CF4、C2F6、C3F8等）作為清潔氣體，這些化合物在等離子體作用下分解產(chǎn)生大量活性氟自由基（F·），能夠高效去除顆粒污染、不必要的氧化硅和氮化硅。RF清潔反應(yīng)式概括如下：

為了提升清潔效率，可以在等離子體清潔工藝中引入氧源（如一氧化二氮和氧氣），與氟碳化合物中的碳反應(yīng)，生成更多氟自由基，同時(shí)保持氟碳比高于2。

盡管RF等離子體清潔效果顯著，但其離子轟擊作用可能對(duì)腔體部件造成損傷。為避免這一問題，遠(yuǎn)程等離子體清潔方案應(yīng)運(yùn)而生。該方案將等離子體生成區(qū)域與待清洗的工藝腔分離，通過微波功率在等離子腔中激發(fā)NF3產(chǎn)生氟自由基（F·），隨后將F·輸送到工藝腔中進(jìn)行清潔。由于工藝腔中不存在等離子體，因此避免了離子轟擊帶來的損害。然而，這種方案的實(shí)施成本相對(duì)較高。