PECVD设备说明 作业指导.docx
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PECVD设备说明作业指导
1概述
1.1水平管PECVD设备的特点
1.1.1该系统是基于标准管式炉的设计。
晶圆舟由石墨板组成，交替地与射频能量供应系统连接（如图1-1），在效果上，每对石墨板相当于微型平行板等离子体发生器。
晶圆被放置在石墨板的中间，淀积气体从平行板间流过，局部的等离子体提高了淀积能力。
1.1.2PECVD主要优点是改装管式反应炉的经济性和高生产效率。
不足之处在于薄膜的化学计量上的较难控制和大而笨重的晶圆承载装置。
图1-1等离子体生成在石墨舟上
1.2PECVD设备的主要用途
1.2.1利用等离子体聚合法可以容易地形成与光的波长同等程度的膜厚。
这样厚度的膜与光发生各种作用，具有光学功能性。
即：
具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用。
由于这种性质的存在，低温沉积Si3N4减反射膜，以提高太阳能电池的光电转换效率。
1.2.2用于集成光电子器件介质SiYNX膜的制备，如半导体集成电路的衬底绝缘膜、多层布线间绝缘膜以及表面纯化膜的生长。
1.2.3在电子材料当中可制成无针孔的均一膜、网状膜、硬化膜、耐磨膜等。
1.2.4在半导体工艺中不仅用于成膜，而且用于刻蚀，也是一个较为理想的设备，它可刻0.3μm以下的线条。
1.3使用环境及工作条件
1.3.1环境温度＜25℃
1.3.2相对湿度＜75%
1.3.3净化等级1000级~10000级
1.3.4电源三相五线，380V/50HZ，≤50KW/管
1.3.5供水水压0.2MPa~0.4MPa
1.3.6供气SiH4、NH3、H2、N2O、N2、O2、CF4七路气体（0.2MPa~0.45MPa）,压缩空气（0.40MPa~0.6MPa）\
1.3.7配排风排毒装置
1.3.8整机要有一条较理想的大地线（高频电源专用线）
1.4对环境及能源的影响
PECVD设备本身对环境没有任何影响，若用户采用不同的工艺，使用不同的气体可能对环境稍有影响，但由于用气量非常小，不会造成任何危害。
1.5安全
本设备在设计过程中已充分地考虑了安全因素，只要用户不违反操作规程绝不会出现安全事故。
在工艺过程中使用易燃气体SiH4，H2气体源应远离操作台，工作场地禁止使用明火，工作人员禁止吸烟。
所有气路管道不允许有任何泄漏点。
2结构特征与工作原理
2.1总体结构
图2-1总体结构图
2.2工作原理
应用等离子CVD法形成的代表性材料是等离子体氮化硅膜（Si3N4）和等离子体氧化硅膜（SiO2或PSG）。
它的生成温度比普通的化学气相沉积的膜温度要低得多，且性能优良。
PECVD生成膜的反应过程是：
此台PECVD设备，如果不根据设备的特性，摸索出一套成熟的工艺条件，膜的性质是不稳定的。
如需要考虑的参数有：
①生成温度；②生成气体比；③生成压力；④RF功率；⑤排气速率；⑥沉积速率。
因为这些参数完全靠实践来掌握，理论只提供一个分析的基础。
2.3主要部件的功能及其工作原理
2.3.1电热炉（工艺管）
电热炉是特制的高可靠性的发热体，是经过特殊工艺制成，它对恒温区的长度、精度以及稳定度提供了基础，是影响成膜速率和均匀性的必要条件之一。
工艺管具有口径大、壁厚均匀无气泡的优良性，它水平置于炉体的中央，两端配有密封法兰，可生产8英寸圆片、6英寸方片，同时经特殊磨口为真空密封提供可靠保证。
2.3.2取放舟系统
取放舟系统采用软着炉的方式，即将石墨舟放到反应管内部后，推舟机构将退出，自动门关上。
载片舟是经特殊设计，在X轴、Y轴、Z轴三个方向可微调，再精加工而成。
它直接影响到电场的分布、等离子的产生、气流的走向、膜的品质。
成膜压力甚至气体的流量都与此结构有关。
所以是本设备的核心部件。
2.3.3气路单元
气路单元是一个独立体，它的所有使用元器件都是进口产品，具有控制精确、动作可靠，布局合理，为安全生产提供一个先决条件。
2.3.4PLC及计算机控制
本台设备PLC做工艺自动控制和安全互锁，计算机提供人机交互，工艺编辑，各种过程实时显示，参数实时时录等。
装片取片由人工操作。
同时有多种报警系统，如超温报警、停水报警、断偶报警等。
2.3.5真空系统
真空系统是本台设备的关键之一，它是由罗茨泵机组、电动调节阀、电磁挡板阀、压力传感器、真空管道等组成。
注意：
气路及真空系统应严格按操作说明进行，否则易燃易爆！
3主要性能指标
3.1主要性能指标
成膜种类氮化硅
装片尺寸125*125（252片）,156*156（216片）
成膜均匀性片内≤±5%片间≤±6%批间≤±7%（膜厚1μm内）
使用温度150~500℃
恒温区长度及精度±2℃/1200mm（500℃）
恒温区稳定度＜±2℃/24H（500℃）
温度控制具有超温、断偶报警保护功能
系统极限真空5Pa
工作压力范围50Pa~300Pa
恢复真空时间AP→10Pa＜10min
系统漏气率停泵关阀后压力升率＜3Pa/min
净化等级净化台100级（环境1000级）
4安装与调试
4.1安装
4.2.1设备进入净化间前须清扫，擦干设备内外灰尘、污渍，工艺管、真空管道应按微电子规范进行清洁处理。
4.2.2先装电阻炉部分：
炉体架装上地脚并调平稳，然后将炉体上架，再装工艺管，装工艺管时注意轻拿轻放，小心碰坏石英管。
同时装石英管时在石英管下部垫上光滑的塑料布或其它光滑材料，以防划伤石英管。
要从炉口放入向后推，千万不能从尾部向前推，以免碰坏石英管的真空密封磨口。
如果要清洗石英管时，要反过来进行。
两端法兰按水冷法兰、气路法兰顺序装配。
4.2.3靠拢净化台，调地脚螺钉，高度与炉体架一致，连接好各种控制线，再装配推舟系统。
在装配时要特别细心，防止错装漏装密封圈而影响真空系统。
提示：
在生产中经常要清洗石英管，均要拆卸推舟系统及法兰，所以操作工必须掌握推舟系统的装拆顺序及全套工具。
4.2.4摆好真空机组，最好垫上一块橡皮，打上四个地脚螺钉，防止机组振动而造成工艺管损坏。
用快卸卡箍管道连接好，再装上压力传感器等。
提示：
机组要经常性换油，5天换一次油。
（干泵机组除外）
4.2.5气路由管道连接，将各路气分别对应连接，并按规定压力送入本机。
4.2.6将设备排风口、排废口、泵组排气口与用户管道连接好，如果用户备有尾气处理装置，必须事先确认与本设备所用气体种类、流量的相容性及安全性。
4.2.7连接水路系统，最好有循环水装置，否则本机在工作时容易烧坏密封圈。
4.2.8接地：
将各机柜连接起来接入电网的零线。
高频电源单独接一根大地线，要将地线埋入地下1.8米以上，并放入木炭、水、盐各3公斤。
4.2.9整机引入三相功率线，线径用ф35mm2的多股铜线。
4.3调试前的检查
4.3.1对水冷法兰通水，检查是否有漏水现象或水流是否畅通。
4.3.2检查照明灯经过运输是否损坏。
4.3.3检查真空管道是否连接好，确认无漏气口。
4.3.4检查电阻炉功率板、触发板各部位引线接头是否松动，瓷件是否损坏。
4.3.5检查各种接插件、对接件是否有错。
4.3.6检查各种开关是否处于“停电”或“关”状态。
4.3.7检查热偶插入深度及正负极是否有错。
4.4调试
4.4.1在各种检查确认无误后整机上电，再各个控制单元分别通电检查仪表、按钮、电磁阀、风机、泵等在方向和对应关系上是否正常。
在有关人员认可的情况下可开机运行。
4.4.2首先是温控调试
当整机上电时，按炉体“加热”开关即可，记下各温区的升温电流的大小（用钳形表测量），并记下升温时间、到温时间。
当各温区到达预计温度时，对两付温控仪表进行一次自整定，然后中间一块仪表再整定。
待数分钟后若三个温区仪表显示非常平稳时，认为PID各个参数合适，若发现某个仪表不稳就再进行一次自整定。
4.4.3粗拉恒温区
将测量热偶端点置于炉膛正中间，待数分钟后视测量仪表的mV值（要求是6位数字电压表测才能满足测量精度）。
然后将此mV值对照热电偶分度表，换算出温度值，发现控温仪表显示值与实际值有偏差时，通过调节控温仪表修正“Pb值“得到校准。
用此方法再测恒温区的两端点。
经过2至3次的重复，将这3点调到满意的程度。
最后将测量热偶置于恒温区的尾端，充分等待炉温的稳定，一般情况下mV表的显示值在±1μV范围内变化视为炉温的稳定。
4.4.4精拉恒温区
在4.4.3的基础上开始精拉恒温区，一般要求检测人员每隔3~5分钟测一个点，每点间距为50mm，然后找出最大值减去最小值再除以2，这就定义为恒温区正负温度值。
恒温区精度定义：
（测量最大值—测量最小值）/2
4.4.6真空调试步骤
4.4.6.1上电见“常压”指示灯亮时步进电机前进，直至自动停止运行，这时用一张薄纸试端板是否压紧，根据需要调节推舟座，推舟座在X、Y、Z三个方向上均可调节。
4.4.6.2开滑阀泵时气动蝶阀也自动打开。
4.4.6.3打开慢抽，可听到电磁阀的响声，这时慢抽通道已被打开。
4.4.6.4给电磁挡板阀加6.3公斤以下的压力，再打开主抽阀，待几秒钟后真空度急速下降，约10分钟就可至10Pa以下。
4.4.6.5打开罗茨泵，在3分钟之内真空度即可到10Pa以下，甚至可抽到1Pa以下。
6.在真空度到达1Pa以后，关掉主抽阀和慢抽阀，再停罗茨泵后停滑阀泵。
7.这时根据压力显示仪的压力变化，按时间计算出压升率应≤3Pa/min，否则按上例原则反复抽真空。
4.4.7推舟调试
4.4.7.1水平行程开关共三个，其用途分别是：
“后退到位”为推舟后退停止的位置，此位置前后精确度要求不高。
“缓冲位”提供水平推舟的增减速的位置，以及开始垂直升降的一个位置，此位置前后精确度要求不高。
“前进到位”为提供前进到位信号，是石墨舟与电极连接杆相对接的一个位置，因此此位置要求精确。
以上三个位置信号要求保证可靠，否则将导致损坏石英管或推舟系统的后果。
4.4.7.2垂直行程开关为一个，为“下位”，提供垂直升降的最下位和给旋转编码器提供归零信号。
此位置的确定，以推舟系统悬臂杆离石英管有一定安全距离为准，约5mm以上，同时悬臂杆要能顺利退出。
此位置要求精确，否则导致损坏石英管。
旋转编码器提供了垂直升降的“中位”和“上位”，“中位”和“上位”的相对点是“下位”。
旋转编码器与丝杆的连接必须为十分可靠的连接，否则会损坏石英管。
4.4.7.3汽缸有四个到位信号，“汽缸进到位”、“汽缸退到位”、“压紧”、“放松”以上四个信号必须可靠，否则会损坏石英管或石墨舟。
4.4.7.4完整的“送片”动作的前提是“常压”、“后退到位”、“上位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”条件都满足时才能启动。
如果有任何一个条件不满足，请“手动”让各个部件到达相应位置。
4.4.7.5完整的“取片”动作前提是“常压”、“后退到位”、“下位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”条件都满足时才能启动。
如果有任何一个条件不满足，请“手动”让各个部件到达相应位置。
4.4.7.6“手动”情况的各个分解动作请注意石英管与石墨舟的安全，其中“水平推舟”只会在“前进到位”和“后退到位”才会自行停止，在缓冲点不会自行停止。
“垂直升降”只会在“下位”和“上位”自行停止，在中点不会自行停止。
4.4.7.7悬臂杆调成水平的，而不是将石墨舟调成水平，这样更有利于减少由于悬臂杆上下变形引起的影响。
4.4.7.8在每次设备重新上电时务必将推舟系统手动复原至“升降下位”和“推舟退到位”，其中操作一次“升降下位”是为了升降舟软件归零。
4.4.7.9在“常压”指示灯亮时，推舟无任何卡壳现象，无任何异常声音即为正常。
4.4.8高频电源调试:
合上电源开关预热15分钟，按下输出开关，视电流电压表正常即可。
注：
具体操作按高频电源说明书使用。
4.5使用前的准备
4.5.1接通整机电源；
4.5.2接通本机水路；
4.5.3接通各路气体。
若设备停止工作时，应该将反应管内部抽成真空，停止加热，其目的是为了防止真空管路过热，会使压力传感器严重零漂，影响压力测量。
待温度低于250℃再停水，并关断所有气体的手动阀。
5常见故障分析与排除
由于本设备是台特殊、专业性很强的设备。
它集机械、电子、高频、计算机、真空、气体、传动及温度控制为一体，如使用得当，经常维护，就不容易出故障。
如不按使用说明书严格操作，可能会出错，严重时可能会损坏设备，甚至出现人身事故。
常见故障分析与排除
序号
故障现象
故障原因分析
排除方法
1
温控仪显示
H.H.----
⑴断偶
⑵接触不良
⑶补偿导线被损坏
⑴更换热偶
⑵检查接线端是否松动
⑶更换补偿导线
2
蜂鸣器叫
⑴超温或断偶报警
⑵停水报警
⑴如温控表没有信号输出，温度继续升高，一般是可控硅被击穿，更换可控硅芯子即可。
⑵打开水源，如无水应停机，否则会烧坏密封圈。
3
真空抽不上去
⑴工艺管前端密封不好
⑵工艺两端密封圈老化
⑶真空泵油污染严重
⑴调整推舟机构
⑵更换密封圈
⑶更换泵油（在太阳能电池行业泵油应常更换）
4
压控仪在抽真空过程中总处于报警状态，没有显示
压力变送器电源未打开
打开电源，若仍无输出，更换电源
5
照明灯不亮
灯管老化
更换灯管
6
机组声音异常
（1）气压不够
（2）缺相
立刻停机检查
7
在生产过程中发现压力突然过大，与上次压力不重复
在修改参数时，参数不对
检查参数是否正确
8
在自动程序中执行到恒压时，发现压力不正常
可能某气源压力不够或没有气源
（1）向上跳步到恒温步。
再检查原因
（2）退出
9
在放电过程中高频打不开或中途保护
硅片短路，或电极接触不良引起高频电源保护
按照正常程序对反应管反复抽真空后方可充气推舟，其理由是防止反应管内硅烷和氨气与空气反应，污染反应管及气路部分。
6保养与维修
1.工艺完成后，不继续做工艺时，保持工艺管内为真空状态，每天做工艺时可察看各真空压力表读数，以便工艺管密封是否良好。
2.对气路的保护。
在做完工艺后，按“设备关闭方法”进行操作，千万不要让工艺气体留在管路中。
由于环境温度较高时，产生的反应物堵塞质量流量计。
3.为了保护罗茨泵机组的寿命，要经常更换机械泵油，只要油泵观察窗发现油黑了就必须更换。
设备用在生产线上一般5天必须更换一次油。
（干泵机组例外）
4.为了良好的工艺，优良的沉积膜，工艺管要定期进行酸洗，在生产线上至少一个月洗一次。
5.一个季度对设备进行一次性能的全面检查，检查各种功能是否正常可靠。
6.本设备必须有良好的工作环境，环境温度必须在20℃以下，由于SiH4的燃点非常低，在常温下会自燃，在28℃以上会发生反应。
7.罗茨泵的排风管道必须畅通，而且管路不能太长，否则由于排气不畅而发生爆鸣，严重时油泵观察窗会爆破。
8.罗茨泵轴承加油嘴必须保持始终有油。
9、尾气排风管一周之内必须检查、清洗一次管路；
10、经常检查泵的水流量、和N2供应；
11、检查特气的供气压力，SiH4不得低于1公斤压力，不得高于4公斤压力；NH3不得低于4公斤压力，不得高于6公斤压力；
12、每天检查设备炉体前后的水冷法兰的温度，不得高于70度；
13、经常检查石墨舟上的电极叉的变形程度，如变形严重应当更换。
14、经常检查炉门上的两个螺钉是否松动，如松动，稍微拧紧即可。
15、定期将石英管内碎片拿出；
16、如果石英管里面有大量的金黄色粉尘，将设备温度降至室温，用无尘布擦掉即可；
17、定期在导轨和丝杆上加润滑油；
18、如果发现推舟机构异常，先与设备厂家联系；
19.为了保护设备安全运行而不受外界干扰，或高频电源不构成对其它电气的干扰，本机供电及接地线都要求分开走，不可相互交叉。
20.本机正在做工艺时，人体不得接近废气室，非本机操作人员不得接近本机。
21.如机械泵爆油时必须紧急停机。
为防止机油燃烧必须有消防器材，操作人员应紧急处理而不得逃离现场。
7注意事项
7.1安全性
1.在“送片”、“取片”过程中严格仔细观察运动过程,不要让石墨舟碰到法兰.如发现情况异常,可按“急停”按钮中断推舟机构。
取片过程中，在退出时没将石墨舟带出则按“急停”按钮并想法将石墨舟拉到杆上退出。
2.如果发生片子短路，跳出至“抽空步”，让其自动将石墨舟取出，提石墨舟至桌子上检查装片情况。
3.上下两管错开通特气（否则NH3流量不足）
4.断水时将加热关闭，并保持反映室为真空状态，以免损坏真空系统。
5.不要长时间让反应室暴露大气,建议总暴露时间不超过15分钟（其中包括送片和取片全过程），以免影响真空管路及测量系统。
6.当炉门打开后，人员身体任何部位不要在炉门附近，以免由于某种原因炉门关闭而造成人员伤害。
7.提取石墨舟时轻拿轻放，由于连接件为陶瓷杆，强度不是很高，所以要注意由于陶瓷杆断开而引起的损伤。
8.如发现设备外围漏水等情况，必须先直接切断墙上总电源。
推舟系统的到位信号除了升降“上位”和升降“下位”是旋转编码器提供外，其它一律为光电行程开关定位；由于旋转编码器无断电保持功能，注意在设备重新上电后，一定要对升降进行一次归原动作，方法是将升降机构往下运动，一直到“下位”，然后根据需要为送片还是取片，将其运动到“上位”或保持在“下位”；如果设备重新上电后没有对升降进行归原动作，有可能升降碰到极限开关，显示屏“极限开关”会亮，解决方法是停止升降动作，将固定升降极限开关的固定板送开，将升降运动至“下位”，再固定好极限开关的固定板。
7.2设备关闭方法
1、关闭加热；2、将反应室抽成真空；3、关闭慢抽和主抽；4、关闭真空泵；5、退出系统；6、关闭设备控制电源；7、断开墙上总电源；
7.3设备启动方法
1、合上墙上总电源；2、开启设备控制电源；3、进入计算机系统；4、开启真空泵；5、开启加热；6、选定工艺文件；（注意检查水、电、气）；
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