化学气相沉积技术原理

6.1.1　化学气相沉积技术原理

化学气相沉积技术是利用热能、等离子放电、紫外光照射等形式的能源或上述能源形式的综合利用，使气态物质在灼热的固体热表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态物质膜的工业过程。化学气相成膜工艺的参数主要考虑气体流量、气体成分、气体压力、射频功率、电极间距、基板温度和电极结构等。在TFT阵列工艺中，PECVD中的化学反应主要是SiH₄＋H₂生成a-Si和SiH₄＋NH₃＋N₂生成SiN_x。如图6.2所示。

图6.2　CVD主要参数及反应

图6.3　化学气相沉积技术示意

图6.3所示是CVD成膜的二维模型，气流平行于玻璃基板表面。在主气流与玻璃基板表面之间，气流速率从主气流速率递减到基板表面的零，此区域定义为边界层。我们把边界层上界面和基板表面的反应物浓度分别记为C_G和C_S，经边界层扩散到基板表面的气流速率为F₁；基板表面被消耗掉的气流速率为F₂，于是，可得到

式中，D为扩散系数；δ_B为边界层厚度，可表达为

式中，μ是动力黏度；z是距气流进口的距离；VG是边界层上界面处气体的速率。在气体分子为刚性硬球近似下，扩散系数可表达为

式中，k为玻耳兹曼（Boltzmann）常数；T为绝对温度；P是气体压强；m和a分别是气体分子的质量和半径。令基板表面气体反应速率为k_S，则有

假定稳定时F₁＝F₂，得到淀积速率

式中，N为生成单位厚度产物所需的反应气体分子数，d_B为反应层的厚度。考虑两个极端情况：

（1）k_Sd_B，此时VR＝d_S，产物淀积速率由气体在界面层的扩散决定，称为质量输运模式；

（2）k_Sd_B，此时VR＝k_S，产物淀积速率由基板表面反应速率决定，称为表面反应模式。

温度较高时表面反应速率一般较大，扩散到基板表面的气体分子得到充分消耗，此时为质量输运模式。由公式（6.2）可知，淀积速率与主气流速率（即进气口气体流量）的平方根成正比；而温度变化由于幅度较小，对淀积速率影响不大，产物生长速率主要由气体流量控制；温度较低时，表面反应速率较小，扩散到基板表面的气体分子得不到充分反应，此时淀积由表面反应速率所控制，与进气口气体流量无关而敏感于温度变化，产物生长速率主要由温度控制。非晶硅TFT成膜的温度远远低于单晶硅集成电路的成膜温度，一般在300～400℃之间，因此温度的变化对成膜的速率具有重要的意义。

图6.4所示是CVD的装置结构简图。主要由工艺气柜、气体控制系统、电源及控制系统、电极、工艺室、压力调节系统、真空排气系统和废气处理系统组成。

图6.4　CVD装置简图

因为CVD使用的工艺气体有些是有毒的，有的甚至是剧毒，而且易燃易爆，因此必须要有完善的气体监测与报警系统。一般要求气柜要远离工作场所，并配备完善的安全设施。废气处理系统一定要达到国家环境保护条件要求，否则不能投入运行。

在TFT工艺技术中，主要通过CVD技术形成非金属薄膜，包括SiN等绝缘膜、非晶硅膜和n^＋非晶硅膜。