PECVD RF系統原理和故障改善

周立,楊曉東,金哲山,董杰,周東淇,張猛,胡毓龍,李應勝

（北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176）

隨著顯示技術的快速發展，PECVD技術(等離子增強化學氣相淀積)作為非金屬薄膜沉積工藝，應用越來越廣泛,它利用低壓下氣體輝光放電過程來激活分子，從而降低了化學氣相淀積的溫度。在當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反應室的負載阻抗與功率源的阻抗相等的幾率是極小的，并且負載的阻抗隨著工藝條件如氣體，壓力等改變發生非線性變化，射頻功率源與負載間的阻抗存在不同程度的失配現象，導致射頻傳輸線上存在反射功率，射頻功率源產生的功率無法有效傳輸至負載，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室之間，通過改變匹配器阻抗值大小，使匹配器能夠補償射頻電源輸出阻抗與真空反應室負載阻抗之間的差值，達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到反應室中進行等離子體激發。

圖1 射頻阻抗匹配系統示意圖

圖2 PECVD RF系統構成

1 PECVD RF系統

1.1 PECVD RF系統構成

PECVD G8.5設備 RF系統構成如圖2，包括RF Generator，RF match，反應腔室。

RF Generator：射頻發生器，頻率13～14MHz可變。

RF Match：射頻匹配器，由Load電容和Tune電容并聯構成，Load電容實現負載電阻匹配，Tune電容實現負載相位匹配，與反應室串聯。

Process chamber：反應腔室薄膜沉積的環境，plasma在上下極板中產生，可看成一個平行板電容器。

1.2 RF系統匹配原理

現假設RF Generator阻抗為ZS=RS+jXS，負載阻抗ZL=RL-jXL，其中R為電阻實部，X為電抗，j為虛數單位，如圖3。當RF Generator 內部阻抗ZS與外端阻抗ZL相等時射頻功率傳遞效率最高。但是外部條件是隨時變化的，為保證輸出穩定，RF generator XS變化進行補償，所以良好的工作狀態滿足：RS+jXS=RL-jXL。負載XL包括反應氣體、壓力等能引起負載變化條件，當RF generator XS不能匹配外部的變化程度，即ZS≠ZL時反射功率達到上限（3000）時發生反射功率高報警。

2 RF故障改善

2.1 RF Generator參數優化

在實際生產過程中，工藝條件不是固定不變的，隨工藝條件的變化，反應室環境發生變化，負載阻抗隨之變化，RF Generator 具有頻率自動匹配功能，通過頻率掃描找到最小反射功率的頻率值，實現阻抗匹配。當負載條件苛刻到RF Generator不能匹配時，發生反射功率高報警。最小反射功率頻率掃描范圍是RF Generator匹配的關鍵參數，射頻頻率13～14MHZ，頻率掃描設定值是0～100%，每1%代表0.1MHZ。如圖4當最小反射功率頻率掃描范圍設置過小時，RF Generator不能找到最好的頻率匹配點，存在錯誤匹配情況。最小反射功率頻率掃描范圍也不是越大越好，若固定0.1MHZ頻率掃描時間是100usec，設定最小反射功率頻率掃描范圍X%，匹配時間X*100usec=100X usec，掃描范圍越大對應的匹配時間越長。實際過程中因為氣體、壓力、上下極板間距等變化導致腔室環境的急劇變化，反射功率快速升高，若匹配時間過長，存在不能及時匹配導致反射功率高報警情況。因此需根據實際工藝情況調整這個參數，使RF Generator實現快速準確匹配。

圖3 RF阻抗匹配示意圖

圖4 RF Generator匹配曲線

2.2 RF match電容配比優化

RF match作為RF系統的關鍵部件，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為RF Generator產生的射頻頻率，通過F變化實現RF match阻抗變化。PECVD G8.5設備RF match設計電容為3100/855，但是在實際沉積氮化硅薄膜過程中，因為新工藝條件的導入，PECVD設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，反射功率高報警發生次數明顯減少。

表1 電容配比測試實驗

2.3 設備故障改善

PECVD反應腔室可以看成一個平行板電容器，反應腔室環境變化會改變腔室電容，從而導致負載發生改變。隨著反應氣體的流入，相當于電容器內插入介質，反應腔室電容C=ε0S/dln2，氣體的快速流入引起腔室電容發生突變，負載突變導致阻抗失匹，發生反射功率高報警。針對這類問題，可以通過調整MFC（氣體質量流量控制器）使反應氣體的流入更加平緩，改善腔室阻抗突變性，使RF Generator能夠及時匹配。

反應腔室的壓力變化同樣影響腔室電容，腔室電容隨著反應室壓力增大電容變大。為改善壓力不穩定，阻抗匹配失敗導致的反射功率高報警問題，需對壓力控制系統的問題進行檢查改善。腔室壓力控制系統主要包括壓力計，角度閥（開口大小自動控制）和真空泵。壓力計和角度閥根據壓力設定值通過PID調節實現壓力穩定控制。實際生產過程中存在壓力異常導致阻抗匹配失敗的情況，針對不同情況采取相應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致，壓力波動引起負載波動，檢查角度閥控制器。

（3）壓力計管路堵塞，壓力感應不靈敏，壓力異常跳動，檢查壓力計和壓力計管路。

2.4 備件管理

PECVD Plasma在上極板與下極板之間產生，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走。PECVD G8.5設備玻璃基板2200×2500mm，反應腔室尺寸較大，Power 15kW以上，電荷量大。若局部發生接地線斷裂，容易導致電荷在下極板聚集，從而導致反射功率高報警。通過改變接地線材質，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致的反射功率報警發生。上下極板表面狀態也會對射頻電產生影響，根據趨膚效應，上下極板表面電流密度大，若上下極板表面狀態差，電荷局部聚集也會導致反射功率過高，必須根據實際生產過程中上下極板的狀態，合理安排時間進行更換。

3 結語

PECVD工藝是一門復雜的工藝，RF系統作為PECVD的關鍵組成，在應用的過程中，解決阻抗匹配的問題至關重要。要保證設備的穩定運行，必須掌握和精通RF系統的結構及工作原理，以便在出現故障時，能迅速分析出故障原因并快速解決。