PECVD RF系統(tǒng)原理和故障改善

周立,楊曉東,金哲山,董杰,周東淇,張猛,胡毓龍,李應(yīng)勝

（北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176）

隨著顯示技術(shù)的快速發(fā)展，PECVD技術(shù)(等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積)作為非金屬薄膜沉積工藝，應(yīng)用越來越廣泛,它利用低壓下氣體輝光放電過程來激活分子，從而降低了化學(xué)氣相淀積的溫度。在當(dāng)前各種等離子放電裝置中，射頻電源通常采用固定頻率為13～14MHz、輸出阻抗恒定50～75Ω的功率源。通常PECVD反應(yīng)室的負(fù)載阻抗與功率源的阻抗相等的幾率是極小的，并且負(fù)載的阻抗隨著工藝條件如氣體，壓力等改變發(fā)生非線性變化，射頻功率源與負(fù)載間的阻抗存在不同程度的失配現(xiàn)象，導(dǎo)致射頻傳輸線上存在反射功率，射頻功率源產(chǎn)生的功率無法有效傳輸至負(fù)載，能量被耗散。如圖1所示，需將匹配器連接于射頻電源與反應(yīng)室之間，通過改變匹配器阻抗值大小，使匹配器能夠補(bǔ)償射頻電源輸出阻抗與真空反應(yīng)室負(fù)載阻抗之間的差值，達(dá)到阻抗完全匹配的目的，從而使射頻電源的輸出功率能夠有效地傳輸?shù)椒磻?yīng)室中進(jìn)行等離子體激發(fā)。

圖1 射頻阻抗匹配系統(tǒng)示意圖

圖2 PECVD RF系統(tǒng)構(gòu)成

1 PECVD RF系統(tǒng)

1.1 PECVD RF系統(tǒng)構(gòu)成

PECVD G8.5設(shè)備 RF系統(tǒng)構(gòu)成如圖2，包括RF Generator，RF match，反應(yīng)腔室。

RF Generator：射頻發(fā)生器，頻率13～14MHz可變。

RF Match：射頻匹配器，由Load電容和Tune電容并聯(lián)構(gòu)成，Load電容實(shí)現(xiàn)負(fù)載電阻匹配，Tune電容實(shí)現(xiàn)負(fù)載相位匹配，與反應(yīng)室串聯(lián)。

Process chamber：反應(yīng)腔室薄膜沉積的環(huán)境，plasma在上下極板中產(chǎn)生，可看成一個(gè)平行板電容器。

1.2 RF系統(tǒng)匹配原理

現(xiàn)假設(shè)RF Generator阻抗為ZS=RS+jXS，負(fù)載阻抗ZL=RL-jXL，其中R為電阻實(shí)部，X為電抗，j為虛數(shù)單位，如圖3。當(dāng)RF Generator 內(nèi)部阻抗ZS與外端阻抗ZL相等時(shí)射頻功率傳遞效率最高。但是外部條件是隨時(shí)變化的，為保證輸出穩(wěn)定，RF generator XS變化進(jìn)行補(bǔ)償，所以良好的工作狀態(tài)滿足：RS+jXS=RL-jXL。負(fù)載XL包括反應(yīng)氣體、壓力等能引起負(fù)載變化條件，當(dāng)RF generator XS不能匹配外部的變化程度，即ZS≠ZL時(shí)反射功率達(dá)到上限（3000）時(shí)發(fā)生反射功率高報(bào)警。

2 RF故障改善

2.1 RF Generator參數(shù)優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工藝條件不是固定不變的，隨工藝條件的變化，反應(yīng)室環(huán)境發(fā)生變化，負(fù)載阻抗隨之變化，RF Generator 具有頻率自動(dòng)匹配功能，通過頻率掃描找到最小反射功率的頻率值，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。當(dāng)負(fù)載條件苛刻到RF Generator不能匹配時(shí)，發(fā)生反射功率高報(bào)警。最小反射功率頻率掃描范圍是RF Generator匹配的關(guān)鍵參數(shù)，射頻頻率13～14MHZ，頻率掃描設(shè)定值是0～100%，每1%代表0.1MHZ。如圖4當(dāng)最小反射功率頻率掃描范圍設(shè)置過小時(shí)，RF Generator不能找到最好的頻率匹配點(diǎn)，存在錯(cuò)誤匹配情況。最小反射功率頻率掃描范圍也不是越大越好，若固定0.1MHZ頻率掃描時(shí)間是100usec，設(shè)定最小反射功率頻率掃描范圍X%，匹配時(shí)間X*100usec=100X usec，掃描范圍越大對應(yīng)的匹配時(shí)間越長。實(shí)際過程中因?yàn)闅怏w、壓力、上下極板間距等變化導(dǎo)致腔室環(huán)境的急劇變化，反射功率快速升高，若匹配時(shí)間過長，存在不能及時(shí)匹配導(dǎo)致反射功率高報(bào)警情況。因此需根據(jù)實(shí)際工藝情況調(diào)整這個(gè)參數(shù)，使RF Generator實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確匹配。

圖3 RF阻抗匹配示意圖

圖4 RF Generator匹配曲線

2.2 RF match電容配比優(yōu)化

RF match作為RF系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其阻抗隨RF Generator提供的射頻頻率變化而變化。電容阻抗Xc=1/2πFC，F(xiàn)為RF Generator產(chǎn)生的射頻頻率，通過F變化實(shí)現(xiàn)RF match阻抗變化。PECVD G8.5設(shè)備RF match設(shè)計(jì)電容為3100/855，但是在實(shí)際沉積氮化硅薄膜過程中，因?yàn)樾鹿に嚄l件的導(dǎo)入，PECVD設(shè)備存在反射功率過高問題。在保持工藝條件不變的情況下，嘗試更改RF match電容配比降低反射功率。為此進(jìn)行了大量的條件測試如表1。最終找到3150/700的配比成功將反射功率從1000降低至30，反射功率高報(bào)警發(fā)生次數(shù)明顯減少。

表1 電容配比測試實(shí)驗(yàn)

2.3 設(shè)備故障改善

PECVD反應(yīng)腔室可以看成一個(gè)平行板電容器，反應(yīng)腔室環(huán)境變化會(huì)改變腔室電容，從而導(dǎo)致負(fù)載發(fā)生改變。隨著反應(yīng)氣體的流入，相當(dāng)于電容器內(nèi)插入介質(zhì)，反應(yīng)腔室電容C=ε0S/dln2，氣體的快速流入引起腔室電容發(fā)生突變，負(fù)載突變導(dǎo)致阻抗失匹，發(fā)生反射功率高報(bào)警。針對這類問題，可以通過調(diào)整MFC（氣體質(zhì)量流量控制器）使反應(yīng)氣體的流入更加平緩，改善腔室阻抗突變性，使RF Generator能夠及時(shí)匹配。

反應(yīng)腔室的壓力變化同樣影響腔室電容，腔室電容隨著反應(yīng)室壓力增大電容變大。為改善壓力不穩(wěn)定，阻抗匹配失敗導(dǎo)致的反射功率高報(bào)警問題，需對壓力控制系統(tǒng)的問題進(jìn)行檢查改善。腔室壓力控制系統(tǒng)主要包括壓力計(jì)，角度閥（開口大小自動(dòng)控制）和真空泵。壓力計(jì)和角度閥根據(jù)壓力設(shè)定值通過PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)壓力穩(wěn)定控制。實(shí)際生產(chǎn)過程中存在壓力異常導(dǎo)致阻抗匹配失敗的情況，針對不同情況采取相應(yīng)措施可有效改善此類問題。

壓力異常原因及處理措施。

（1）腔室壓力突然升高，引起負(fù)載變化增大，檢查干泵和Pump連接管路。

（2）角度閥控制器故障導(dǎo)致，壓力波動(dòng)引起負(fù)載波動(dòng)，檢查角度閥控制器。

（3）壓力計(jì)管路堵塞，壓力感應(yīng)不靈敏，壓力異常跳動(dòng)，檢查壓力計(jì)和壓力計(jì)管路。

2.4 備件管理

PECVD Plasma在上極板與下極板之間產(chǎn)生，其中上極板連接射頻電源，下極板通過接地線接地，接地線接地將電荷導(dǎo)走。PECVD G8.5設(shè)備玻璃基板2200×2500mm，反應(yīng)腔室尺寸較大，Power 15kW以上，電荷量大。若局部發(fā)生接地線斷裂，容易導(dǎo)致電荷在下極板聚集，從而導(dǎo)致反射功率高報(bào)警。通過改變接地線材質(zhì)，延長接地線使用壽命，并定期更換，減少因接地線斷裂問題導(dǎo)致的反射功率報(bào)警發(fā)生。上下極板表面狀態(tài)也會(huì)對射頻電產(chǎn)生影響，根據(jù)趨膚效應(yīng)，上下極板表面電流密度大，若上下極板表面狀態(tài)差，電荷局部聚集也會(huì)導(dǎo)致反射功率過高，必須根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中上下極板的狀態(tài)，合理安排時(shí)間進(jìn)行更換。

3 結(jié)語

PECVD工藝是一門復(fù)雜的工藝，RF系統(tǒng)作為PECVD的關(guān)鍵組成，在應(yīng)用的過程中，解決阻抗匹配的問題至關(guān)重要。要保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，必須掌握和精通RF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，以便在出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速分析出故障原因并快速解決。