CVD薄膜质量影响因素及故障排除

CVD薄膜质量影响因素

以下将以PECVD技术沉积薄膜作为案例，阐述影响薄膜品质的几个核心要素。PECVD工艺质量主要受气压、射频能量、衬底温度、射频源的工作频率、电极板间距以及反应腔体大小等因素的影响。

在等离子体生成阶段，若气体压力过高，会加快反应速率，但同时会缩减气体分子的平均自由程，这不利于薄膜在复杂结构上的覆盖。相反，若气压过低，则可能导致薄膜的密度降低，增加形成孔隙的风险。

射频能量的增强会提升离子的撞击能量，起初随着能量的增加，沉积速率会上升。但当能量增加到一定程度，反应气体完全电离后，沉积速率将趋于平稳。

基板温度主要对薄膜的电子迁移率和光学特性产生影响。温度的升高有助于提升薄膜的致密度，降低缺陷的密度。

PECVD工艺中，射频源通常工作在50kHz至13.56MHz的频率范围内。较高的频率意味着离子撞击效应更为强烈，可以生成更致密的薄膜。同时，高频条件下沉积的薄膜均匀性更佳，但也可能对基板造成更大的损伤。

在PECVD工艺中，电极板间距的选择需尽量降低起辉电压，以减少对基板的损伤。较大的电极板间距虽然能减轻对基板的损伤，但过大的间距可能会影响薄膜的均匀性。此外，反应腔体的扩大虽然能提高生产效率，但也可能导致薄膜均匀性的下降。

CVD故障检查及排除

仍以PECVD工艺为例，PECVD设备常见问题有无法起辉、辉光不稳、淀积速率低、薄膜质量差、反应腔体压强不稳定等，这些故障对应的处理措施如下：

无法起辉问题

1.真空度差，检查腔体的真空度，确保其处于正常状态

2.射频电源故障，检查射频电源的输出功率，排除电源故障的可能性

3.反应气体进气量少，观察气体流量计的读数，若读数偏低，则尝试增加气体输入量

4.射频汽配店路故障，检查射频匹配电路，确保反射功率在正常范围内，同时检查电路中的电容与电感组件是否完好

5.腔体极板清洁度差，使用万用表测试腔体上下极板的对地电阻，若电阻值不达标，则需对极板进行清洁

辉光不稳定现象

1.真空室气压不稳，检查真空系统的密封性，防止气体泄漏，并监控进气量，确保其稳定性，避免波动

2.电源电流不稳定，测量电源电流，确保供电的稳定性

3.电缆故障，检查电缆连接，确保接触良好，无松动现象

沉积速率低下问题

1.真空腔体的气压较低，调整工艺气体的流量，以提升腔室气压

2.射频功率不匹配，优化射频功率的设置，以达到理想的沉积速率

3.样品温度异常，检查样品的冷却系统，确保样品温度处于正常范围

薄膜质量不达标情况

1.样品表面清洁度差，清洁样品表面，去除所有污染物，确保表面洁净

2.样品温度异常，校准热电偶，检查温控系统，确保样品温度控制的精确性

3.工艺腔体清洁度差，清洁工艺腔室，去除所有残留物，保持腔室清洁

4.薄膜沉积过程中压强异常，监控沉积过程中的腔室压力，及时检查并修复可能的真空泄漏

5.射频功率不匹配，调整射频功率设置，确保其符合工艺要求，以提高薄膜质量

反应腔室压力波动问题

1.校验气体流量计的准确性，确保其读数无误

2.检查真空泵的运行状态，确保其正常无故障

3.确认阀门开关操作无误，无卡滞或泄漏现象

4.检查真空系统的波纹管，确保其完整无损，无裂纹或泄漏点

颗粒清除

在LPCVD工艺中，由于其热壁特性，反应器内壁容易积聚颗粒。尽管通过降低气相反应物的分压可以在一定程度上减少颗粒沉积，但是治标不治本。热壁反应器的长期稳定运行依赖于定期的清洗维护，以彻底清除腔内的颗粒。

清洗方法主要分为两种：离线清洗与原位清洗。传统的离线清洗方式涉及拆卸并更换已污染的石英管，随后手动旋转浸泡在氢氟酸中的管道进行清洁。然而，出于生产和安全考虑，业界更倾向于采用原位清洗技术。例如，利用氟气（可激发为等离子体）与反应器内壁上的固体沉积物反应，生成挥发性产物并排出系统。LPCVD的原位清洗技术不仅缩短了设备停机时间，还有效降低了颗粒数量，同时减少了人员与化学物质的直接接触。

相比之下，PECVD工艺采用冷壁设计，其中硅片被加热至高温，而其他部分保持低温。这种冷壁反应产生的颗粒较少，从而减少了清洗的频率和时间。此外，PECVD反应腔还具备在沉积前利用等离子体对硅片进行预处理的能力，这种原位清洁技术能有效去除硅片在装载过程中引入的污染物。

等离子体辅助的清洁技术主要分为RF等离子体清洁与远程等离子体清洁两类。在RF等离子体清洁过程中，采用氟碳化合物（如CF4、C2F6、C3F8等）作为清洁气体，这些化合物在等离子体作用下分解产生大量活性氟自由基（F·），能够高效去除颗粒污染、不必要的氧化硅和氮化硅。RF清洁反应式概括如下：

为了提升清洁效率，可以在等离子体清洁工艺中引入氧源（如一氧化二氮和氧气），与氟碳化合物中的碳反应，生成更多氟自由基，同时保持氟碳比高于2。

尽管RF等离子体清洁效果显著，但其离子轰击作用可能对腔体部件造成损伤。为避免这一问题，远程等离子体清洁方案应运而生。该方案将等离子体生成区域与待清洗的工艺腔分离，通过微波功率在等离子腔中激发NF3产生氟自由基（F·），随后将F·输送到工艺腔中进行清洁。由于工艺腔中不存在等离子体，因此避免了离子轰击带来的损害。然而，这种方案的实施成本相对较高。

来源： 学习那些事

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