微波板式PECVD 設備多晶硅片表面鍍膜均勻性影響因素的研究

王貴梅，劉 苗，朱少杰，趙 環，李影影

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

由于多晶硅片表面在不同晶粒之間的晶格取向、絨面特性，甚至反射率方面都存在較大差別，因此在其表面制備的SiNx膜的均勻性較差。多晶硅片表面鍍膜時常用的鍍膜設備是等離子體增強化學的氣相沉積(PECVD)設備。

在微波板式PECVD 設備中，通過將內置的同軸石英管與微波發射器相連接，可實現石英管表面微波放電，從而激發出高均勻度的微波等離子體。石英管的另一個作用是將設備腔室中的反應氣體與微波天線隔離，減少反應氣體在微波天線上的沉積。在石英管的外側有一個金屬罩，其目的是將參與反應的NH3氣體限制在特定空間內，在微波周圍通入NH3氣體，NH3氣體離化后產生N-和H+，這2 種離子與在多晶硅片附近通入的SiH4氣體混合、碰撞，SiH4氣體分離后形成Si4-，與N-和H+形成SiNx膜，沉積在硅片表面[1]。

由于市場對于多晶硅片表面鍍膜的均勻性提出了更加苛刻的要求，因此，本文針對微波板式PECVD 設備(下文簡稱“PECVD 設備”)的相關配件對設備在多晶硅片表面鍍膜時膜層(SiNx膜)均勻性的影響進行了研究與探討，并進行了針對性地改善。

1 實驗

1.1 實驗儀器

本實驗采用Roth&Rau 公司的能量頻率為2.45 GHz 的PECVD 設備鍍膜；采用北京量拓科技有限公司的EMPro-PV 橢偏儀測試鍍膜膜層(SiNx膜)的折射率，并以“折射率方差平均值”表征鍍膜均勻性，折射率方差平均值越大，表明鍍膜均勻性越差。

橢偏儀的測試環境為室溫大氣環境，其工作原理示意圖如圖1 所示[2]。

1.2 實驗樣品的處理及實驗過程設計

原料硅片采用松宮電子材料有限公司生產的p 型多晶硅片，尺寸為156 mm×156 mm、厚度為180 μm，實驗所用原料硅片均切割于同一鑄錠硅。

所有原料硅片均經過濕法制絨→擴散→濕法刻蝕→熱氧化等相同工序后，在PECVD 設備采用不同的配件條件時對10 個批次的實驗樣品進行鍍膜，其中，不同的PECVD 設備配件條件包括石英管、耐高溫膠帶廠家的差異，氣路的氣孔個數差異，加熱板與導波器完好程度的差異；并將10 個批次分別標示為批次a～批次j，每個批次包括800 片硅片。不同的PECVD 設備配件條件如表1 所示。

表1 不同的PECVD 設備配件條件Table1 Different accessory conditions of PECVD equipment

將每個批次的800 片硅片均分放置在石墨框內沉積鍍膜，每個石墨框內一次可給50 片硅片鍍膜，4 個石墨框(編號為K1～K4)循環使用4次(相當于將800 片硅片均分在16 個石墨框內)為完成1 個批次的鍍膜過程。收集每個石墨框內如圖2 所示區域的硅片，測試序號1～10 位置的硅片的折射率，并將序號1～5 位置的硅片的折射率求折射率方差，再將序號6～10 位置的硅片的折射率求折射率方差，然后求這2 個折射率方差的平均值，用于表征鍍膜的均勻性。

按照上述方法，以每個批次的16 個石墨框中對應序號位置的硅片的折射率求得的折射率方差平均值表征批次間的鍍膜均勻性；而以每個批次內4 個石墨框循環使用4 次時相同編號石墨框的硅片所測得的折射率方差平均值表征批次內的均勻性；實驗期間不斷對設備進行重復性驗證。

2 結果與討論

2.1 廠家差異對鍍膜均勻性的影響

由于實驗中石英管和耐高溫膠帶分別采用的是2 個不同廠家的產品，因此針對廠家差異對4個批次的鍍膜均勻性的影響進行分析。廠家不同時4 個批次的批次間和批次內的折射率方差平均值情況如圖3、圖4 所示。

對比圖3 和圖4 可以發現，批次a～ 批次d這4 個批次的批次間和批次內的折射率方差平均值的變化趨勢相同，這表明這4 個批次的批次間和批次內的鍍膜均勻性呈現出相同的規律。

由圖3、圖4 可知，石英管廠家B 和耐高溫膠帶廠家D 組合后得到的折射率方差平均值最小，說明該配件條件下PECVD 設備的鍍膜均勻性最優。這是因為不同廠家的耐高溫膠帶的耐高溫性能和對等離子體的附著力不同，因此對PECVD 設備鍍膜的均勻性存在影響。而石英管廠家不同時PECVD 設備鍍膜均勻性存在差異，可能與不同廠家生產的石英管的微觀結構中的氣泡量有關，氣泡較多會削弱石英管對微波天線的保護作用，而氣泡較少的石英管可以更好地減少等離子體在微波天線上的沉積，未沉積等離子體的微波天線可以激發更多的氣體電離，增加硅片表面的等離子體分布，使鍍膜更加均勻。但石英管氣泡數量目前尚無有效的檢測手段，所以石英管廠家不同時PECVD 設備鍍膜均勻性存在差異是否是由氣泡數量原因導致的還有待進一步確認。

綜上所述可知，石英管和耐高溫膠帶廠家差異會對PECVD 設備的鍍膜均勻性產生影響的主要原因是材質性能的差異。

由于已經確定了石英管廠家B 和耐高溫膠帶廠家D 結合使用時PECVD 設備鍍膜的均勻性更優，因此，后文討論氣路的氣孔個數差異，加熱板、導波器的完好程度差異對PECVD 設備鍍膜均勻性的影響時，都是以使用石英管廠家B 和耐高溫膠帶廠家D 的產品為前提的。

由于石英管和耐高溫膠帶可以直接影響PECVD 設備的鍍膜效果，根據上述分析結果可以發現，批次間的鍍膜均勻性趨勢可以表征批次內的鍍膜均勻性趨勢，因此，后續分析氣路的氣孔個數的差異，加熱板、導波器的完好程度差異對PECVD 設備鍍膜均勻性產生的影響時，只采用批次間的折射率方差平均值來表征鍍膜的均勻性。

2.2 氣路的氣孔個數差異對鍍膜均勻性的影響

對氣路的氣孔個數分別為22 個和30 個時對PECVD 設備鍍膜均勻性的影響進行分析。圖5為氣路的氣孔實物圖，圖6 為氣孔個數不同時2個批次的批次間的折射率方差平均值的情況。

當氣孔直徑不變時，氣孔個數越多，氣孔間的間距越密。由圖6 可知，當氣孔個數為30 個時，其折射率方差平均值較小，說明該配件條件下PECVD 設備的鍍膜均勻性更好。分析造成這一結果的原因，是因為隨著氣孔個數的增加，單片多晶硅片周圍的等離子體分布會更為密集、均勻，但更多的氣孔個數會相應增加維護時清理氣孔的時間，也會對產業化PECVD 設備的產能造成負面影響。因此，實際生產過程中，需要兼顧產能和鍍膜均勻性，合理設計氣孔個數。

2.3 加熱板的完好程度差異對鍍膜均勻性的影響

制備SiNx膜時，反應腔的溫度一般會通過電阻絲加熱來實現。因此，加熱板的完好程度差異會對PECVD 設備的鍍膜均勻性產生一定影響。圖7 為電阻絲燒斷的加熱板圖片，圖8 為完好的加熱板圖片。

在氣路的氣孔個數為30 個的前提下，分析加熱板損壞和加熱板完好時2 個批次的批次間的折射率方差平均值情況，具體如圖9 所示。

由圖9 可知，加熱板完好時的批次間的折射率方差平均值較小，說明此種情況下PECVD 設備的鍍膜均勻性較好。分析原因，是因為加熱板損壞后，反應腔內存在溫度差，損壞位置的實際溫度會比完好位置的偏低，氣流及等離子體隨溫度的降低而呈梯度分布，導致PECVD 設備的鍍膜均勻性急劇變差。

2.4 導波器完好程度差異對鍍膜均勻性的影響

圖10 為導波器設備的硬件結構。

根據導波器設備的硬件結構可知，導波器將磁頭產生的微波通過微波天線導入腔體內，激發氣體，從而使NH3和SiH4碰撞電離產生等離子體，進而附著在硅片表面。導波器的完好程度會對PECVD 設備的鍍膜均勻性產生影響。圖11 為導波器中燒壞的導波管圖片，圖12 為導波器完好程度不同時2 個批次的批次間的折射率方差平均值情況。

由圖12 可知，導波器中的導波管損壞時，批次i 的批次間的折射率方差平均值較大，說明此情況下PECVD 設備的鍍膜均勻性較差。分析原因，是因為導波管損壞會導致氣體不能被電離，減小了等離子體密度，從而嚴重影響了PECVD設備的鍍膜均勻性。

由于加熱板和導波器損壞的情況較為隱蔽、無法直接從監控的參數界面體現出來，因此，若PECVD 設備出現鍍膜均勻性較差的情況時，可以拆下這2 個配件進行檢查，并及時進行更換，從而改善PECVD 設備鍍膜的均勻性。

3 結論

本文通過采用橢偏儀測試了多晶硅片表面沉積的SiNx膜的折射率，并利用折射率方差平均值來表征PECVD 設備的鍍膜均勻性，研究了石英管、耐高溫膠帶廠家的差異，氣路的氣孔個數差異，加熱板、導波器的完好程度差異對PECVD設備的鍍膜均勻性的影響，得出以下結論：

1) 不同廠家的石英管和耐高溫膠帶對PECVD 設備的鍍膜均勻性存在直接影響。因為不同廠家的耐高溫膠帶的耐高溫性能和對等離子體的附著力不同，因此其對PECVD 設備的鍍膜均勻性的影響也不同；而石英管廠家不同時，PECVD 設備的鍍膜均勻性同樣存在差異，這可能與不同廠家生產的石英管的微觀結構中的氣泡數量不同相關，氣泡多會削弱石英管對微波天線的保護作用，而氣泡較少的石英管可以更好地減少等離子體在微波天線上的沉積。

2) 氣路的氣孔個數為30 個時較氣孔個數為22 個時，PECVD 設備的鍍膜均勻性得到了改善。這是因為隨著氣孔個數的增加，單片多晶硅片周圍的等離子體分布會更為密集、均勻，但更多的氣孔個數會相應增加維護時清理氣孔的時間，也會對產業化PECVD 設備的產能造成負面影響。因此，實際生產過程中，需要兼顧產能和鍍膜均勻性，合理設計氣孔個數。

3) 加熱板和導波器損壞的情況較為隱蔽，無法直接從監控的參數界面體現出來，但這2個配件條件均對PECVD 設備鍍膜均勻性的影響較大。因此，若PECVD 設備出現鍍膜均勻性較差的情況時，可以拆下這2 個配件進行檢查，發現異常時應及時更換，進而改善鍍膜的均勻性。

在實際生產過程中，PECVD 設備的鍍膜均勻性同時受多種工藝參量的影響，比如氣體流量比、總壓強、總流量、電源功率密度、沉積時間等，但本文主要側重研究硬件配件對鍍膜均勻性的影響；在調試工藝參量無法進一步改善PECVD 設備的鍍膜均勻性的情況下，本文分析結果對如何提升PECVD 設備的鍍膜均勻性具有一定的積極作用。