Chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą - Plasma-enhanced chemical vapor deposition
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą ( PECVD ) to proces chemicznego osadzania z fazy gazowej stosowany do osadzania cienkich warstw ze stanu gazowego ( pary ) do stanu stałego na podłożu . W procesie biorą udział reakcje chemiczne , które zachodzą po wytworzeniu plazmy reagujących gazów. Osoczu jest zazwyczaj tworzony przez częstotliwości radiowej (RF) ( prąd zmienny (AC)) częstotliwości lub prądu stałego (DC) wyładowania pomiędzy dwoma elektrodami , pomiędzy którymi przestrzeń jest wypełniona reagujących gazów.
Zrzuty dla procesów
Plazma to dowolny gaz, w którym znaczna część atomów lub cząsteczek jest zjonizowana. Jonizacja frakcyjna w plazmie stosowanej do osadzania i związanej z nią obróbki materiałów waha się od około 10-4 w typowych wyładowaniach pojemnościowych do nawet 5-10% w plazmach indukcyjnych o dużej gęstości. Przetwarzanie plazmy jest zwykle obsługiwane pod ciśnieniem od kilku militorów do kilku torów , chociaż wyładowania łukowe i plazmy indukcyjne można zapalić przy ciśnieniu atmosferycznym. Plazmy o niskiej jonizacji frakcyjnej są bardzo interesujące w obróbce materiałów, ponieważ elektrony są tak lekkie w porównaniu z atomami i cząsteczkami, że wymiana energii między elektronami a gazem obojętnym jest bardzo nieefektywna. Dlatego elektrony mogą być utrzymywane w bardzo wysokich równoważnych temperaturach – dziesiątkach tysięcy kelwinów, co odpowiada średniej energii kilku elektronowoltów – podczas gdy neutralne atomy pozostają w temperaturze otoczenia. Te energetyczne elektrony mogą indukować wiele procesów, które w niskich temperaturach byłyby bardzo nieprawdopodobne, takie jak dysocjacja cząsteczek prekursorów i tworzenie dużych ilości wolnych rodników.
Druga korzyść z osadzania w wyładowaniu wynika z faktu, że elektrony są bardziej ruchliwe niż jony. W konsekwencji plazma jest zwykle bardziej dodatnia niż jakikolwiek obiekt, z którym się styka, ponieważ w przeciwnym razie duży strumień elektronów przepływałby z plazmy do obiektu. Różnica napięcia między plazmą a obiektami w jej stykach zwykle występuje w obszarze cienkiej osłony. Zjonizowane atomy lub cząsteczki, które dyfundują do krawędzi obszaru osłonki, odczuwają siłę elektrostatyczną i są przyspieszane w kierunku sąsiedniej powierzchni. W ten sposób wszystkie powierzchnie wystawione na działanie plazmy otrzymują energetyczne bombardowanie jonami. Potencjał w poprzek osłony otaczającej elektrycznie izolowany obiekt (potencjał pływający) wynosi zwykle tylko 10–20 V, ale znacznie wyższe potencjały osłony można osiągnąć poprzez dostosowanie geometrii i konfiguracji reaktora. W ten sposób folie mogą być wystawione na energetyczne bombardowanie jonami podczas osadzania. To bombardowanie może prowadzić do zwiększenia gęstości folii i pomóc w usuwaniu zanieczyszczeń, poprawiając właściwości elektryczne i mechaniczne folii. Gdy używana jest plazma o dużej gęstości, gęstość jonów może być wystarczająco wysoka, aby nastąpiło znaczne napylanie osadzonej warstwy; to napylanie może być wykorzystane do ułatwienia planaryzacji filmu i wypełnienia rowów lub dziur.
Typy reaktorów
Proste wyładowanie prądem stałym można łatwo wytworzyć przy kilku torach między dwiema elektrodami przewodzącymi i może być odpowiednie do osadzania materiałów przewodzących. Jednak folie izolacyjne szybko gaszą to wyładowanie, ponieważ są osadzane. Bardziej powszechne jest wzbudzanie wyładowania pojemnościowego przez zastosowanie sygnału AC lub RF między elektrodą a przewodzącymi ściankami komory reaktora lub między dwiema cylindrycznymi elektrodami przewodzącymi zwróconymi ku sobie. Ta ostatnia konfiguracja jest znana jako równoległy reaktor płytowy. Częstotliwości od kilkudziesięciu Hz do kilku tysięcy Hz wytworzą zmienną w czasie plazmę, która jest wielokrotnie inicjowana i gaszona; częstotliwości od kilkudziesięciu kiloherców do kilkudziesięciu megaherców powodują wyładowania w miarę niezależne od czasu.
Częstotliwości wzbudzenia w zakresie niskich częstotliwości (LF), zwykle około 100 kHz, wymagają kilkuset woltów do podtrzymania wyładowania. Te duże napięcia prowadzą do bombardowania powierzchni jonami o wysokiej energii. Plazmy o wysokiej częstotliwości są często wzbudzane przy standardowej częstotliwości 13,56 MHz powszechnie dostępnej do zastosowań przemysłowych; przy wysokich częstotliwościach prąd przesunięcia z ruchu osłony i rozpraszanie z osłony pomaga w jonizacji, a zatem niższe napięcia są wystarczające do osiągnięcia wyższych gęstości plazmy. W ten sposób można regulować chemię i bombardowanie jonami w osadzie, zmieniając częstotliwość wzbudzenia lub stosując mieszaninę sygnałów o niskiej i wysokiej częstotliwości w reaktorze dwuczęstotliwościowym. Moc wzbudzenia rzędu dziesiątek do setek watów jest typowa dla elektrody o średnicy od 200 do 300 mm.
Plazmy pojemnościowe są zwykle bardzo słabo zjonizowane, co skutkuje ograniczoną dysocjacją prekursorów i niskimi szybkościami osadzania. Znacznie gęstszą plazmę można wytworzyć za pomocą wyładowań indukcyjnych, w których cewka indukcyjna wzbudzona sygnałem o wysokiej częstotliwości indukuje pole elektryczne w wyładowaniu, przyspieszając elektrony w samej plazmie, a nie tylko na krawędzi osłony. Reaktory elektronowego rezonansu cyklotronowego i anteny helikonowe zostały również wykorzystane do wytworzenia wyładowań o dużej gęstości. W nowoczesnych reaktorach często stosuje się moc wzbudzenia 10 kW lub większą.
Plazmę o wysokiej gęstości można również generować przez wyładowanie prądem stałym w środowisku bogatym w elektrony, uzyskane przez emisję termionową z rozgrzanych włókien. Napięcia wymagane do wyładowania łukowego są rzędu kilkudziesięciu woltów , co daje jony o niskiej energii. Plazma o wysokiej gęstości i niskiej energii jest wykorzystywana do osadzania epitaksjalnego z dużą szybkością w reaktorach do chemicznego osadzania z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym o niskiej energii .
Początki
Pracując w Standard Telecommunication Laboratories (STL), Harlow, Essex, Swann odkrył, że wyładowanie RF sprzyjało osadzaniu się związków krzemu na ściankach naczynia ze szkła kwarcowego. Po kilku wewnętrznych publikacjach STL w 1964 r. pojawiły się francuskie, brytyjskie i amerykańskie zgłoszenia patentowe. Artykuł został opublikowany w tomie Solid State Electronics z sierpnia 1965 roku.
|
|
|
|---|
Przykłady filmów i zastosowania
Osadzanie plazmowe jest często stosowane w produkcji półprzewodników w celu odpowiedniego osadzania warstw (pokrywania ścian bocznych) oraz na waflach zawierających warstwy metalu lub inne struktury wrażliwe na temperaturę. PECVD zapewnia również jedne z najszybszych szybkości osadzania przy zachowaniu jakości folii (takiej jak szorstkość, defekty/pustki), w porównaniu z osadzaniem przez rozpylanie i naparowywaniem termicznym/wiązką elektronów, często kosztem jednorodności.
Osadzanie dwutlenku krzemu
Dwutlenek krzemu można osadzać stosując kombinację prekursorowych gazów krzemu, takich jak dichlorosilan lub silan i prekursory tlenu, takie jak tlen i podtlenek azotu , zwykle pod ciśnieniem od kilku militorów do kilku torów. Azotek krzemu osadzony w plazmie , utworzony z silanu i amoniaku lub azotu , jest również szeroko stosowany, chociaż należy zauważyć, że nie jest możliwe osadzanie czystego azotku w ten sposób. Azotki plazmy zawsze zawierają dużą ilość wodoru , który może być związany z krzemem (Si-H) lub azotem (Si-NH); ten wodór ma istotny wpływ na absorpcję IR i UV, stabilność, naprężenia mechaniczne i przewodność elektryczną. Jest to często stosowane jako warstwa pasywująca powierzchniowa i objętościowa w komercyjnych ogniwach fotowoltaicznych z multikrystalicznego krzemu.
Dwutlenek krzemu można również osadzać z prekursora krzemu tetraetoksysilanowego (TEOS) w plazmie tlenowej lub tlenowo-argonowej. Folie te mogą być zanieczyszczone znaczną ilością węgla i wodoru jak silanol i mogą być niestabilne w powietrzu. Ciśnienia kilku torów i małe odstępy między elektrodami i/lub osadzanie dwuczęstotliwościowe są pomocne w osiąganiu wysokich szybkości osadzania przy dobrej stabilności filmu.
Plazmowe osadzanie dwutlenku krzemu o wysokiej gęstości z silanu i tlenu/argonu jest szeroko stosowane do tworzenia prawie pozbawionej wodoru warstwy o dobrej konformacji na złożonych powierzchniach, przy czym ta ostatnia jest wynikiem intensywnego bombardowania jonami i wynikającego z tego rozpylania osadzonych cząsteczek z pozycji pionowej na powierzchnie poziome.
Zobacz też
- Lista artykułów dotyczących fizyki plazmy
- Osadzanie chemiczne z fazy gazowej wspomagane plazmą o niskiej energii