基于双频电源的PECVD 沉积设备设计与仿真

2021-04-26龙长林周立平陈国钦

电子工业专用设备 2021年2期

龙长林，周立平，陈国钦，龚欣，龚俊，巴赛

( 中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410205)

PECVD 技术是在低气压下借助微波或射频电源产生的电磁场作用使反应气体电离形成等离子体。而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，工艺气体经一系列化学反应和等离子体反应在基片上表面形成固态薄膜，其工艺原理如图1所示。

图1 PECVD 等离子体产生机理

依据等离子体理论研究：（1）对于由单一频率驱动的等离子体不利于获得稳定的放电，放电过程也容易向弧光放电转化，而高频和低频相结合的双频驱动可以显著地降低击穿电压，使得等离子体可以在较低的电压下启辉，更有利于获得稳定的等离子体源，双频等离子体系统也可以扩大α 模式放电的稳定运行范围，使等离子体可以在一个较大的电压范围内保持稳定的放电；（2）双频等离子体气体温度的可控制范围较大，而保持较低的等离子体气体温度对于红外应用是非常重要的，双频等离子体的气体温度可以通过调节电压控制在一个较低的范围内，使得带电粒子对沉积衬底的轰击减弱、等离子体对红外芯片的损伤降低。与单频等离子体相比，双频等离子体系统设计更有利于实际的低损伤要求的芯片介质薄膜沉积应用[1]。

1 双射频电源系统设计

根据PECVD 设备的成膜特点及用户工艺需求，项目采用双频电源实现方案，如图2 所示。射频电源系统配备两套，一套为13.56 MHz 的高频射频电源，一套为400 kHz 的低频射频电源，两电源最高功率均为300 W，最大反射功率≤1%，功率稳定性≤1%。加载在反应室电极上的电压频率有2 种，其中的高频生长的薄膜具有张应力，低频生长的薄膜具有压应力[2]。

图2 PECVD 系统构成

双频电源系统包括相应匹配器、传输线等，如图3 所示。射频电源匹配器的电容电感可以锁定，在工艺过程中可以通过控制软件对反应室内电极板的射频电源进行设定，实现在工艺过程中对反应室内加载的射频频率进行更改。输出端设计为异步电路，确保高低频电源之间不连通，实现相互干扰抑制。控制端采用时间同步、相位相反的方波分别控制两台射频电源，使2 台射频电源能够无缝配合，按工艺要求进行快速切换或共同工作。通过定制的开发接口，可调节匹配器的参数，使射频电源在工艺过程中能够根据设定参数进行自动匹配。

图3 双频电源系统组成示意图

双频同时稳定工作和相互干扰抑制是通过双频电源调谐控制器实现的，调谐控制器包括幅值检测模块、相位检测模块、调整模块、相位控制电路等。幅值检测模块，两路射频电源的电感分别连接耦合电容，将电压幅值转换为电流信号，再将电流信号转换为电压信号，从而获知电压幅值，之后两路电压幅值传送到差分放大器，幅值差值传送到调整模块；相位检测模块，两路射频电源的电感侧部分别设置天线，天线获得的相位信号分别传送到鉴相器，相位差传送到所述调整模块；调整模块，调整模块根据接收到的所述幅值差值调整射频放大电路增益，使两路射频电压幅值差值控制在设定范围内，调整模块根据接收到的相位差值得到相位调整量，相位控制电路使两路射频电压相位差控制在设定范围内，调谐控制器控制框图如图4 所示。

图4 双频电源调谐控制器控制框图

双频电源系统可选工作模式：

（1）高低频同时作用于反应室，高频为主，低频调制为辅；

（2）高低频交替作用于反应室，可以快速切换；

（3）高低频单独作用于反应室，独立控制工作。

3 种工作方式，在合适的低频匹配档位和高频匹配预设点的条件下，均能实现低功率启辉和持续稳定放电。

2 实验与仿真

为了验证方案的可行性，从低频和高频两个方面分别对反应室内部的电磁场分布进行有限元模拟。一方面基于ANSYS 软件的电磁场模块，对低频电磁场进行谐态电路有限元分析，得到反应室内电磁场分布；另一方面基于Ansoft HFSS 对高频电磁场进行本征模态分析，从而得到所需的各阶模态和频率。

仿真结果如图5～图8 所示。

图5 低频反应室内电压分布

图6 低频反应室内等离子体分布

从低频的结果可以看出反应室内的电磁场具有一定的边缘效应，但该分析方法是将射频电路与谐波电磁场作为独立的模块进行仿真的，忽略了等离子体的耦合作用，因此结果会存在一定的误差，下一步研究工作将是实现射频电路与等离子体的耦合电磁场分析；高频分析主要是为了获得反应室内的多阶模态和谐振频率，通过数值模拟再现了驻波效应。分析结果为工程设计与工艺试验提供了有利参考。