PECVD RF系统原理和故障改善

周立,杨晓东,金哲山,董杰,周东淇,张猛,胡毓龙,李应胜

（北京京东方显示技术有限公司，北京 100176）

随着显示技术的快速发展，PECVD技术(等离子增强化学气相淀积)作为非金属薄膜沉积工艺，应用越来越广泛,它利用低压下气体辉光放电过程来激活分子，从而降低了化学气相淀积的温度。在当前各种等离子放电装置中，射频电源通常采用固定频率为13～14MHz、输出阻抗恒定50～75Ω的功率源。通常PECVD反应室的负载阻抗与功率源的阻抗相等的几率是极小的，并且负载的阻抗随着工艺条件如气体，压力等改变发生非线性变化，射频功率源与负载间的阻抗存在不同程度的失配现象，导致射频传输线上存在反射功率，射频功率源产生的功率无法有效传输至负载，能量被耗散。如图1所示，需将匹配器连接于射频电源与反应室之间，通过改变匹配器阻抗值大小，使匹配器能够补偿射频电源输出阻抗与真空反应室负载阻抗之间的差值，达到阻抗完全匹配的目的，从而使射频电源的输出功率能够有效地传输到反应室中进行等离子体激发。

图1 射频阻抗匹配系统示意图

图2 PECVD RF系统构成

1 PECVD RF系统

1.1 PECVD RF系统构成

PECVD G8.5设备 RF系统构成如图2，包括RF Generator，RF match，反应腔室。

RF Generator：射频发生器，频率13～14MHz可变。

RF Match：射频匹配器，由Load电容和Tune电容并联构成，Load电容实现负载电阻匹配，Tune电容实现负载相位匹配，与反应室串联。

Process chamber：反应腔室薄膜沉积的环境，plasma在上下极板中产生，可看成一个平行板电容器。

1.2 RF系统匹配原理

现假设RF Generator阻抗为ZS=RS+jXS，负载阻抗ZL=RL-jXL，其中R为电阻实部，X为电抗，j为虚数单位，如图3。当RF Generator 内部阻抗ZS与外端阻抗ZL相等时射频功率传递效率最高。但是外部条件是随时变化的，为保证输出稳定，RF generator XS变化进行补偿，所以良好的工作状态满足：RS+jXS=RL-jXL。负载XL包括反应气体、压力等能引起负载变化条件，当RF generator XS不能匹配外部的变化程度，即ZS≠ZL时反射功率达到上限（3000）时发生反射功率高报警。

2 RF故障改善

2.1 RF Generator参数优化

在实际生产过程中，工艺条件不是固定不变的，随工艺条件的变化，反应室环境发生变化，负载阻抗随之变化，RF Generator 具有频率自动匹配功能，通过频率扫描找到最小反射功率的频率值，实现阻抗匹配。当负载条件苛刻到RF Generator不能匹配时，发生反射功率高报警。最小反射功率频率扫描范围是RF Generator匹配的关键参数，射频频率13～14MHZ，频率扫描设定值是0～100%，每1%代表0.1MHZ。如图4当最小反射功率频率扫描范围设置过小时，RF Generator不能找到最好的频率匹配点，存在错误匹配情况。最小反射功率频率扫描范围也不是越大越好，若固定0.1MHZ频率扫描时间是100usec，设定最小反射功率频率扫描范围X%，匹配时间X*100usec=100X usec，扫描范围越大对应的匹配时间越长。实际过程中因为气体、压力、上下极板间距等变化导致腔室环境的急剧变化，反射功率快速升高，若匹配时间过长，存在不能及时匹配导致反射功率高报警情况。因此需根据实际工艺情况调整这个参数，使RF Generator实现快速准确匹配。

图3 RF阻抗匹配示意图

图4 RF Generator匹配曲线

2.2 RF match电容配比优化

RF match作为RF系统的关键部件，其阻抗随RF Generator提供的射频频率变化而变化。电容阻抗Xc=1/2πFC，F为RF Generator产生的射频频率，通过F变化实现RF match阻抗变化。PECVD G8.5设备RF match设计电容为3100/855，但是在实际沉积氮化硅薄膜过程中，因为新工艺条件的导入，PECVD设备存在反射功率过高问题。在保持工艺条件不变的情况下，尝试更改RF match电容配比降低反射功率。为此进行了大量的条件测试如表1。最终找到3150/700的配比成功将反射功率从1000降低至30，反射功率高报警发生次数明显减少。

表1 电容配比测试实验

2.3 设备故障改善

PECVD反应腔室可以看成一个平行板电容器，反应腔室环境变化会改变腔室电容，从而导致负载发生改变。随着反应气体的流入，相当于电容器内插入介质，反应腔室电容C=ε0S/dln2，气体的快速流入引起腔室电容发生突变，负载突变导致阻抗失匹，发生反射功率高报警。针对这类问题，可以通过调整MFC（气体质量流量控制器）使反应气体的流入更加平缓，改善腔室阻抗突变性，使RF Generator能够及时匹配。

反应腔室的压力变化同样影响腔室电容，腔室电容随着反应室压力增大电容变大。为改善压力不稳定，阻抗匹配失败导致的反射功率高报警问题，需对压力控制系统的问题进行检查改善。腔室压力控制系统主要包括压力计，角度阀（开口大小自动控制）和真空泵。压力计和角度阀根据压力设定值通过PID调节实现压力稳定控制。实际生产过程中存在压力异常导致阻抗匹配失败的情况，针对不同情况采取相应措施可有效改善此类问题。

压力异常原因及处理措施。

（1）腔室压力突然升高，引起负载变化增大，检查干泵和Pump连接管路。

（2）角度阀控制器故障导致，压力波动引起负载波动，检查角度阀控制器。

（3）压力计管路堵塞，压力感应不灵敏，压力异常跳动，检查压力计和压力计管路。

2.4 备件管理

PECVD Plasma在上极板与下极板之间产生，其中上极板连接射频电源，下极板通过接地线接地，接地线接地将电荷导走。PECVD G8.5设备玻璃基板2200×2500mm，反应腔室尺寸较大，Power 15kW以上，电荷量大。若局部发生接地线断裂，容易导致电荷在下极板聚集，从而导致反射功率高报警。通过改变接地线材质，延长接地线使用寿命，并定期更换，减少因接地线断裂问题导致的反射功率报警发生。上下极板表面状态也会对射频电产生影响，根据趋肤效应，上下极板表面电流密度大，若上下极板表面状态差，电荷局部聚集也会导致反射功率过高，必须根据实际生产过程中上下极板的状态，合理安排时间进行更换。

3 结语

PECVD工艺是一门复杂的工艺，RF系统作为PECVD的关键组成，在应用的过程中，解决阻抗匹配的问题至关重要。要保证设备的稳定运行，必须掌握和精通RF系统的结构及工作原理，以便在出现故障时，能迅速分析出故障原因并快速解决。