●文/王守坤、孙亮、郝昭慧、朱夏明、袁剑峰、林承武

北京京东方显示技术有限公司

　　摘要：本文采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制得氮化硅和氢化非晶硅薄膜，对PECVD设备中基板支撑梢区域的膜质进行了研究。结果显示基板支撑梢对氮化硅薄膜的影响是：基板支撑梢区域的膜厚（沉积速率）高于非基板支撑梢区域，氢含量及[SiH/NH]值高于非基板支撑梢；对氢化非晶硅薄膜的影响是：基板支撑梢区域的膜厚（沉积速率）小于非基板支撑梢区域，氢含量高于非基板支撑梢。并对成膜影响的机理进行了分析讨论。

　　关键词：等离子体增强化学气相沉积法；基板支撑梢；氮化硅膜；氢化非晶硅膜；傅里叶红外分析；生长机制；

　　引言

　　近年来，液晶显示（LCD）为代表的平板显示已取代体积笨重的CRT显示，并占据主流地位，涵盖了从手机到大尺寸电视的各种显示领域。LCD的核心部件是非晶硅薄膜晶体管(thin film transistors，TFT)，在有源矩阵驱动显示器件中发挥了重要作用。图1为a-Si:H薄膜晶体管结构示意图。

　　TFT栅极绝缘源层SiNx和非晶硅层a-Si:H是在RF．PECVD（射频等离子增强型化学气相淀积）设备完成的，反应腔室的原理示意如图2。由于a-Si:H是TFT晶体管器件的关键膜层，则栅极绝缘层（gate insulator sinx）分成高速沉积（GH）和低速沉积(GL)两次来完成，有源层非晶硅a-Si:H分为低速沉积(AL)和高速沉积（AH）来沉积。并且要保证所成膜的膜质的特性。否则会导致完成品的显示均一性。但是在RF．PECVD设备中，玻璃基板是放置于设备腔室加热机台（susceptor）上进行沉积的，而加热基台上面被设置了空洞，内嵌升降玻璃基板的基板支撑梢（pin），从而基板支撑梢就可能导致膜质与其他区域不同，造成产品的视觉不均，影响产率。本文就是针对PECVD基板支撑梢区域的膜质进行讨论分析，并给出建议。

　　1、实验

　　1.1 样品制备及反应机理

　　实验设备采用射频频率为13.56MHz的PECVD系统，温度为340℃。反应气体为NH3、SiH4和N2及SiH4和H2的混合气体，分别在四张玻璃基板上对应于PECVD基板支撑梢的位置，贴附硅片（si-wafer，分布如图3），然后分别沉积高速氮化硅膜(GH），低速氮化硅膜(GL)，高速a-Si:H 膜（AH）和低速a-Si:H膜(AL)单层膜样品。气体流量比分别为GH (SiH4：NH3：N2=3：10：30) ,GL(SiH4：NH3：N2=1：4：33)，AL(H2：SiH4=1：10)，AH (H2：SiH4=1：7)。玻璃基板为2500mm x 2200 mm的超薄玻璃基板，等离子区功率为2100W至20000W。反应腔的气压为159 Pa～320 Pa，电极间的距离为17mm～25 mm。

　　反应气体通过由许多小孔组成的扩散口（diffuser）均匀地流入反应腔中，此系统中沉积栅极绝缘层（gate insulator SiNx）所发生的主要反应[1]：

　　4 NH3+3 SiH4→Si3N4+12 H2   (1)

　　3 SiH4+2 N2→Si3N4+6 H2    (2)

　　反应式(1)的反应机理是NH3和SiH4的反应生成三胺基硅Si(NH2)3，三胺基硅Si(NH2)3作为氮化硅薄膜生长的主要反应基，在玻璃基板表面通过热分解、键合等方式生成a-SiN ：H薄膜；反应式(2)的反应机理为SiH4和N2在等离子区电离成SiH3离子和N离子，依靠SiH3离子和N离子在基板表面的反应生成类a-Si：H的薄膜，并在生长的过程中同时被基态的N离子氮化[2]。

　　沉积非晶硅层（a-Si:H）所发生的主要反应：

　　SiH4 (g)→Si(s)+2H2(g) (3)

　　反应式(3)的反应原理是SiH4先分解成SiH3主要前驱物，然后SiH3与Si-H反应析出Si放出H2，并且反应中的H会打断较弱的Si-Si键，而重新组合为更强的Si-Si键，形成晶核扩散到基板表面进行成膜[3]。

　　1.2 分析测试

　　薄膜厚度测量仪器(KMAC)：用来测试样品的膜厚和折射率，其测试原理为：用一束光打在薄膜测试样品上，一部分光在薄膜表面反射，另一部分光在薄膜和基板以及在多层面的界面之间反射，这些波长出现互补干涉或相消干涉，从而测量的反射光根据薄膜厚度的不同，出现不同形状的波形。在知道各种薄膜结构的情况下，就可测试计算出薄膜的厚度值。

　　采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析薄膜中Si-H和N-H键的伸展振动模的红外吸收光谱并计算Si-H和N-H键的含量。SiNx薄膜中Si-H和N-H键的含量可以通过红外吸收光谱中的吸收峰的积分强度计算式(4)和式(5)得到[1][4]：

　　N=Ax∫(a/ω)dω=Ax∫ad(1nω)         (4)

　　Cx= (Nx/Ntot)* 100％= (Ax/Ntot)∫ad(1nω) (5)

　　其中x表示Si-H和N-H键的键合模式，Ax是键合模式 x的校准因子，a(ω)是吸收峰的吸收系数，是波数ω的函数。Ntot是薄膜的总的原子密度。

　　2、实验测试结果

　　2.1 沉积速率及折射率测试结果

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