基于雙頻電源的PECVD 沉積設備設計與仿真

龍長林，周立平，陳國欽，龔 欣，龔 俊，巴 賽

( 中國電子科技集團公司第四十八研究所， 湖南 長沙410205)

PECVD 技術是在低氣壓下借助微波或射頻電源產生的電磁場作用使反應氣體電離形成等離子體。而等離子體化學活性很強，很容易發生反應，工藝氣體經一系列化學反應和等離子體反應在基片上表面形成固態薄膜，其工藝原理如圖1所示。

圖1 PECVD 等離子體產生機理

依據等離子體理論研究：（1）對于由單一頻率驅動的等離子體不利于獲得穩定的放電，放電過程也容易向弧光放電轉化，而高頻和低頻相結合的雙頻驅動可以顯著地降低擊穿電壓，使得等離子體可以在較低的電壓下啟輝，更有利于獲得穩定的等離子體源，雙頻等離子體系統也可以擴大α 模式放電的穩定運行范圍，使等離子體可以在一個較大的電壓范圍內保持穩定的放電；（2）雙頻等離子體氣體溫度的可控制范圍較大，而保持較低的等離子體氣體溫度對于紅外應用是非常重要的，雙頻等離子體的氣體溫度可以通過調節電壓控制在一個較低的范圍內，使得帶電粒子對沉積襯底的轟擊減弱、等離子體對紅外芯片的損傷降低。與單頻等離子體相比，雙頻等離子體系統設計更有利于實際的低損傷要求的芯片介質薄膜沉積應用[1]。

1 雙射頻電源系統設計

根據PECVD 設備的成膜特點及用戶工藝需求，項目采用雙頻電源實現方案，如圖2 所示。射頻電源系統配備兩套，一套為13.56 MHz 的高頻射頻電源，一套為400 kHz 的低頻射頻電源，兩電源最高功率均為300 W，最大反射功率≤1%，功率穩定性≤1%。加載在反應室電極上的電壓頻率有2 種，其中的高頻生長的薄膜具有張應力，低頻生長的薄膜具有壓應力[2]。

圖2 PECVD 系統構成

雙頻電源系統包括相應匹配器、傳輸線等，如圖3 所示。射頻電源匹配器的電容電感可以鎖定，在工藝過程中可以通過控制軟件對反應室內電極板的射頻電源進行設定，實現在工藝過程中對反應室內加載的射頻頻率進行更改。輸出端設計為異步電路，確保高低頻電源之間不連通，實現相互干擾抑制。控制端采用時間同步、相位相反的方波分別控制兩臺射頻電源，使2 臺射頻電源能夠無縫配合，按工藝要求進行快速切換或共同工作。通過定制的開發接口，可調節匹配器的參數，使射頻電源在工藝過程中能夠根據設定參數進行自動匹配。

圖3 雙頻電源系統組成示意圖

雙頻同時穩定工作和相互干擾抑制是通過雙頻電源調諧控制器實現的，調諧控制器包括幅值檢測模塊、相位檢測模塊、調整模塊、相位控制電路等。幅值檢測模塊，兩路射頻電源的電感分別連接耦合電容，將電壓幅值轉換為電流信號，再將電流信號轉換為電壓信號，從而獲知電壓幅值，之后兩路電壓幅值傳送到差分放大器，幅值差值傳送到調整模塊；相位檢測模塊，兩路射頻電源的電感側部分別設置天線，天線獲得的相位信號分別傳送到鑒相器，相位差傳送到所述調整模塊；調整模塊，調整模塊根據接收到的所述幅值差值調整射頻放大電路增益，使兩路射頻電壓幅值差值控制在設定范圍內，調整模塊根據接收到的相位差值得到相位調整量，相位控制電路使兩路射頻電壓相位差控制在設定范圍內，調諧控制器控制框圖如圖4 所示。

圖4 雙頻電源調諧控制器控制框圖

雙頻電源系統可選工作模式：

（1）高低頻同時作用于反應室，高頻為主，低頻調制為輔；

（2）高低頻交替作用于反應室，可以快速切換；

（3）高低頻單獨作用于反應室，獨立控制工作。

3 種工作方式，在合適的低頻匹配檔位和高頻匹配預設點的條件下，均能實現低功率啟輝和持續穩定放電。

2 實驗與仿真

為了驗證方案的可行性，從低頻和高頻兩個方面分別對反應室內部的電磁場分布進行有限元模擬。一方面基于ANSYS 軟件的電磁場模塊，對低頻電磁場進行諧態電路有限元分析，得到反應室內電磁場分布；另一方面基于Ansoft HFSS 對高頻電磁場進行本征模態分析，從而得到所需的各階模態和頻率。

仿真結果如圖5～圖8 所示。

圖5 低頻反應室內電壓分布

圖6 低頻反應室內等離子體分布

從低頻的結果可以看出反應室內的電磁場具有一定的邊緣效應，但該分析方法是將射頻電路與諧波電磁場作為獨立的模塊進行仿真的，忽略了等離子體的耦合作用，因此結果會存在一定的誤差，下一步研究工作將是實現射頻電路與等離子體的耦合電磁場分析；高頻分析主要是為了獲得反應室內的多階模態和諧振頻率，通過數值模擬再現了駐波效應。分析結果為工程設計與工藝試驗提供了有利參考。

圖7 高頻第1 階模態下的電場強度分布

圖8 高頻第1 階模態下的磁場強度分布

3 結論

該方案成功應用于自主研制的等離子體增強化學氣相沉積設備，驗證了低頻頻率范圍、低功率啟輝的優越性，并提供了更好的工藝自由度。通過極低功率啟輝，減少對半導體器件的損傷；同時通過混頻沉積工藝的開發，實現了低應力、低損傷薄膜沉積，滿足低損傷要求芯片工藝的介質層制備要求。