(1)外部感應耦合方式
①批量式PCVD裝置。
在石英管的外側繞上高頻線圈,接上供氣系統抽氣,系統就組成了反應器。高頻線圈從外部把高頻電力輸給反應器中的氣體,產生等離子體。這種裝置的優點為:a.構造簡單,可以小型化.b.線圈位于石英管外,由線圈材料放出的氣體不會造成膜層的沾污;c.功率集中,可得到高密度等離子體;d.稀薄氣體也能獲得高的沉積速度;e.對于較大的基片也能獲得比較滿意的膜厚均勻性。
當然這種小型設備主要用于實驗研究。圖10-32是制取SiNx的PCVD裝置的示意圖。這種裝置在相當高的壓力(約13×10²Pa~4×10²Pa)下使用,使用低濃度(<5%)的SiN4/N2混合氣體,RF功率225W,13. 56MHz,反應壓力4×104Pa,基體溫度300℃,沉積速度約為65nm/min。
②連續式PCVD裝置。
圖10-33是由裝料室、沉積室、卸料室等三個PCVD裝置部分組成的連續性PCVD生產裝置示意圖。其中沉積室由五個反應器組成,等離子激發均采用外部感應耦合方法。通過對工藝過程的控制可以進行自動化生產。
基片從裝料室送到沉積室,抽真空后進行預加熱,加熱后的基片依次送到按一定時間隔排列的反應器中,每個反應器的反應氣體均從頂部進入,廢氣在各自下方的排氣口排出。采用13.56MHz的射頻電源激發等離子。
在沉積室的下部。有一個被加熱的傳送帶,用來把基片從一個反應器輸送到另一個反應器,基片在每個反應器停留時進行氣相沉積,通過五個反應器后達到所需要的膜厚。沉積好的基片由沉積室送入到卸料室,待基片的溫度降到一定程度后把基片從卸料室取出。
此裝置可以處理50mm—80mm的樣品,使用的反應氣體為SiH4/N2。當使用1.5%的SiH4,反應壓力為幾百帕,可以獲得近于100nm/min的沉積速度。
這種裝置的優點是,反應器中的功率集中,使用低濃度的SiH4氣體就能獲得較高的沉積速度,而且安全較好。
(2)內部感應耦合方式
從生產能力和膜層質量的均勻性考慮,比較理想的是具有平行平板型電極的PCVD裝置,其等離子體的激發采用內部感應耦合方式。圖10-34示出了各種不同的結構。電極的形狀多數為圓形的,也有方形的,在連續式、半連續式裝置中,方形電極更方便些。
反應器內部的基板電極和高頻電極一般是對向平行布置的,如果反應氣體從電極四周流向電極中心,則應使電極中心區的電場比電極四周的強一些,這樣可以使電場分布的不均勻和反應氣體濃度分布的不均勻互相補正,以增大膜厚的均勻區的范圍。總之,要根據具體情況,合理布置反應氣體的進口、廢氣出口,反應氣體的流向、流劫狀態以及電場分布等等。
①批量式裝置。
如圖10-35所示,反應器中平行向對布置電極(650mm),基板用反應器外面的加熱器加熱到350℃,并由磁旋轉機構旋轉。高頻電極與基板間距離約為50mm,反應氣體由基板中心流向四周(即徑向流動方式),廢氣由基板下面的四個排氣口排走。等離子體由50RHz的高頻電源激發,維持放電的功率為500W(約0.15W/cm²)。
反應氣體采用SiH4/NH3系統。當沉積壓力為26Pa,功率為500W,氣體全流量為9.75×107Pa·cm3/min時,沉積速率大約為30nm/min。當裝28塊75mm的基片時,不同基片之間膜厚偏差±8%,而不同批量間為±10%。
在平行平板電極布置時,除了徑向流動的供氣方式外,還有噴淋式供氣方式,其氣體流動和濃度分布都比較復雜,只適用于小型簡單工件的涂覆。
②半連續式裝置。
像濺射鍍膜、離子鍍膜等利用等離子體的沉積技術一樣,當PCVD裝置內部暴露大氣時,器壁上就會吸附水蒸氣等雜質,在等離子體作用下,這些雜質會解吸而沾污等離子體,進而對膜層質量產生不利的影響。PCVD裝置更易受到污染,因此使反應器處于真空狀態,具有重要意義。
事實已經證明,在SiNx膜,非晶硅膜中,氫的含量多步對膜層的內應力、電學性能等均有很大的影響,所以,對于這種情況要格外注意。
PECVD的典型應用見表10-22。
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