微波板式PECVD 设备多晶硅片表面镀膜均匀性影响因素的研究

王贵梅，刘 苗，朱少杰，赵 环，李影影

(晶澳太阳能有限公司，邢台 055550)

0 引言

由于多晶硅片表面在不同晶粒之间的晶格取向、绒面特性，甚至反射率方面都存在较大差别，因此在其表面制备的SiNx膜的均匀性较差。多晶硅片表面镀膜时常用的镀膜设备是等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)设备。

在微波板式PECVD 设备中，通过将内置的同轴石英管与微波发射器相连接，可实现石英管表面微波放电，从而激发出高均匀度的微波等离子体。石英管的另一个作用是将设备腔室中的反应气体与微波天线隔离，减少反应气体在微波天线上的沉积。在石英管的外侧有一个金属罩，其目的是将参与反应的NH3气体限制在特定空间内，在微波周围通入NH3气体，NH3气体离化后产生N-和H+，这2 种离子与在多晶硅片附近通入的SiH4气体混合、碰撞，SiH4气体分离后形成Si4-，与N-和H+形成SiNx膜，沉积在硅片表面[1]。

由于市场对于多晶硅片表面镀膜的均匀性提出了更加苛刻的要求，因此，本文针对微波板式PECVD 设备(下文简称“PECVD 设备”)的相关配件对设备在多晶硅片表面镀膜时膜层(SiNx膜)均匀性的影响进行了研究与探讨，并进行了针对性地改善。

1 实验

1.1 实验仪器

本实验采用Roth&Rau 公司的能量频率为2.45 GHz 的PECVD 设备镀膜；采用北京量拓科技有限公司的EMPro-PV 椭偏仪测试镀膜膜层(SiNx膜)的折射率，并以“折射率方差平均值”表征镀膜均匀性，折射率方差平均值越大，表明镀膜均匀性越差。

椭偏仪的测试环境为室温大气环境，其工作原理示意图如图1 所示[2]。

1.2 实验样品的处理及实验过程设计

原料硅片采用松宫电子材料有限公司生产的p 型多晶硅片，尺寸为156 mm×156 mm、厚度为180 μm，实验所用原料硅片均切割于同一铸锭硅。

所有原料硅片均经过湿法制绒→扩散→湿法刻蚀→热氧化等相同工序后，在PECVD 设备采用不同的配件条件时对10 个批次的实验样品进行镀膜，其中，不同的PECVD 设备配件条件包括石英管、耐高温胶带厂家的差异，气路的气孔个数差异，加热板与导波器完好程度的差异；并将10 个批次分别标示为批次a～批次j，每个批次包括800 片硅片。不同的PECVD 设备配件条件如表1 所示。

表1 不同的PECVD 设备配件条件Table1 Different accessory conditions of PECVD equipment

将每个批次的800 片硅片均分放置在石墨框内沉积镀膜，每个石墨框内一次可给50 片硅片镀膜，4 个石墨框(编号为K1～K4)循环使用4次(相当于将800 片硅片均分在16 个石墨框内)为完成1 个批次的镀膜过程。收集每个石墨框内如图2 所示区域的硅片，测试序号1～10 位置的硅片的折射率，并将序号1～5 位置的硅片的折射率求折射率方差，再将序号6～10 位置的硅片的折射率求折射率方差，然后求这2 个折射率方差的平均值，用于表征镀膜的均匀性。

按照上述方法，以每个批次的16 个石墨框中对应序号位置的硅片的折射率求得的折射率方差平均值表征批次间的镀膜均匀性；而以每个批次内4 个石墨框循环使用4 次时相同编号石墨框的硅片所测得的折射率方差平均值表征批次内的均匀性；实验期间不断对设备进行重复性验证。

2 结果与讨论

2.1 厂家差异对镀膜均匀性的影响

由于实验中石英管和耐高温胶带分别采用的是2 个不同厂家的产品，因此针对厂家差异对4个批次的镀膜均匀性的影响进行分析。厂家不同时4 个批次的批次间和批次内的折射率方差平均值情况如图3、图4 所示。

对比图3 和图4 可以发现，批次a～ 批次d这4 个批次的批次间和批次内的折射率方差平均值的变化趋势相同，这表明这4 个批次的批次间和批次内的镀膜均匀性呈现出相同的规律。

由图3、图4 可知，石英管厂家B 和耐高温胶带厂家D 组合后得到的折射率方差平均值最小，说明该配件条件下PECVD 设备的镀膜均匀性最优。这是因为不同厂家的耐高温胶带的耐高温性能和对等离子体的附着力不同，因此对PECVD 设备镀膜的均匀性存在影响。而石英管厂家不同时PECVD 设备镀膜均匀性存在差异，可能与不同厂家生产的石英管的微观结构中的气泡量有关，气泡较多会削弱石英管对微波天线的保护作用，而气泡较少的石英管可以更好地减少等离子体在微波天线上的沉积，未沉积等离子体的微波天线可以激发更多的气体电离，增加硅片表面的等离子体分布，使镀膜更加均匀。但石英管气泡数量目前尚无有效的检测手段，所以石英管厂家不同时PECVD 设备镀膜均匀性存在差异是否是由气泡数量原因导致的还有待进一步确认。

综上所述可知，石英管和耐高温胶带厂家差异会对PECVD 设备的镀膜均匀性产生影响的主要原因是材质性能的差异。

由于已经确定了石英管厂家B 和耐高温胶带厂家D 结合使用时PECVD 设备镀膜的均匀性更优，因此，后文讨论气路的气孔个数差异，加热板、导波器的完好程度差异对PECVD 设备镀膜均匀性的影响时，都是以使用石英管厂家B 和耐高温胶带厂家D 的产品为前提的。

由于石英管和耐高温胶带可以直接影响PECVD 设备的镀膜效果，根据上述分析结果可以发现，批次间的镀膜均匀性趋势可以表征批次内的镀膜均匀性趋势，因此，后续分析气路的气孔个数的差异，加热板、导波器的完好程度差异对PECVD 设备镀膜均匀性产生的影响时，只采用批次间的折射率方差平均值来表征镀膜的均匀性。

2.2 气路的气孔个数差异对镀膜均匀性的影响

对气路的气孔个数分别为22 个和30 个时对PECVD 设备镀膜均匀性的影响进行分析。图5为气路的气孔实物图，图6 为气孔个数不同时2个批次的批次间的折射率方差平均值的情况。

当气孔直径不变时，气孔个数越多，气孔间的间距越密。由图6 可知，当气孔个数为30 个时，其折射率方差平均值较小，说明该配件条件下PECVD 设备的镀膜均匀性更好。分析造成这一结果的原因，是因为随着气孔个数的增加，单片多晶硅片周围的等离子体分布会更为密集、均匀，但更多的气孔个数会相应增加维护时清理气孔的时间，也会对产业化PECVD 设备的产能造成负面影响。因此，实际生产过程中，需要兼顾产能和镀膜均匀性，合理设计气孔个数。

2.3 加热板的完好程度差异对镀膜均匀性的影响

制备SiNx膜时，反应腔的温度一般会通过电阻丝加热来实现。因此，加热板的完好程度差异会对PECVD 设备的镀膜均匀性产生一定影响。图7 为电阻丝烧断的加热板图片，图8 为完好的加热板图片。

在气路的气孔个数为30 个的前提下，分析加热板损坏和加热板完好时2 个批次的批次间的折射率方差平均值情况，具体如图9 所示。

由图9 可知，加热板完好时的批次间的折射率方差平均值较小，说明此种情况下PECVD 设备的镀膜均匀性较好。分析原因，是因为加热板损坏后，反应腔内存在温度差，损坏位置的实际温度会比完好位置的偏低，气流及等离子体随温度的降低而呈梯度分布，导致PECVD 设备的镀膜均匀性急剧变差。

2.4 导波器完好程度差异对镀膜均匀性的影响

图10 为导波器设备的硬件结构。

根据导波器设备的硬件结构可知，导波器将磁头产生的微波通过微波天线导入腔体内，激发气体，从而使NH3和SiH4碰撞电离产生等离子体，进而附着在硅片表面。导波器的完好程度会对PECVD 设备的镀膜均匀性产生影响。图11 为导波器中烧坏的导波管图片，图12 为导波器完好程度不同时2 个批次的批次间的折射率方差平均值情况。

由图12 可知，导波器中的导波管损坏时，批次i 的批次间的折射率方差平均值较大，说明此情况下PECVD 设备的镀膜均匀性较差。分析原因，是因为导波管损坏会导致气体不能被电离，减小了等离子体密度，从而严重影响了PECVD设备的镀膜均匀性。

由于加热板和导波器损坏的情况较为隐蔽、无法直接从监控的参数界面体现出来，因此，若PECVD 设备出现镀膜均匀性较差的情况时，可以拆下这2 个配件进行检查，并及时进行更换，从而改善PECVD 设备镀膜的均匀性。

3 结论

本文通过采用椭偏仪测试了多晶硅片表面沉积的SiNx膜的折射率，并利用折射率方差平均值来表征PECVD 设备的镀膜均匀性，研究了石英管、耐高温胶带厂家的差异，气路的气孔个数差异，加热板、导波器的完好程度差异对PECVD设备的镀膜均匀性的影响，得出以下结论：

1) 不同厂家的石英管和耐高温胶带对PECVD 设备的镀膜均匀性存在直接影响。因为不同厂家的耐高温胶带的耐高温性能和对等离子体的附着力不同，因此其对PECVD 设备的镀膜均匀性的影响也不同；而石英管厂家不同时，PECVD 设备的镀膜均匀性同样存在差异，这可能与不同厂家生产的石英管的微观结构中的气泡数量不同相关，气泡多会削弱石英管对微波天线的保护作用，而气泡较少的石英管可以更好地减少等离子体在微波天线上的沉积。

2) 气路的气孔个数为30 个时较气孔个数为22 个时，PECVD 设备的镀膜均匀性得到了改善。这是因为随着气孔个数的增加，单片多晶硅片周围的等离子体分布会更为密集、均匀，但更多的气孔个数会相应增加维护时清理气孔的时间，也会对产业化PECVD 设备的产能造成负面影响。因此，实际生产过程中，需要兼顾产能和镀膜均匀性，合理设计气孔个数。

3) 加热板和导波器损坏的情况较为隐蔽，无法直接从监控的参数界面体现出来，但这2个配件条件均对PECVD 设备镀膜均匀性的影响较大。因此，若PECVD 设备出现镀膜均匀性较差的情况时，可以拆下这2 个配件进行检查，发现异常时应及时更换，进而改善镀膜的均匀性。

在实际生产过程中，PECVD 设备的镀膜均匀性同时受多种工艺参量的影响，比如气体流量比、总压强、总流量、电源功率密度、沉积时间等，但本文主要侧重研究硬件配件对镀膜均匀性的影响；在调试工艺参量无法进一步改善PECVD 设备的镀膜均匀性的情况下，本文分析结果对如何提升PECVD 设备的镀膜均匀性具有一定的积极作用。