Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Аппарат PECVD на технологическом предприятии LAAS в Тулузе, Франция.

Плазменное химическое осаждение из паровой фазы ( PECVD ) - это процесс химического осаждения из паровой фазы, используемый для осаждения тонких пленок из газового состояния ( пара ) в твердое состояние на подложке . В процессе участвуют химические реакции , которые происходят после образования плазмы реагирующих газов. Плазмы , как правило , создаваемая радиочастоты (RF) ( переменный ток (AC)) частота или постоянный ток (DC) разряд между двумя электродами , пространство между которыми заполнен с реагирующими газами.

Сбросы для процессов [ править ]

Плазма - это любой газ, в котором значительный процент атомов или молекул ионизирован. Фракционная ионизация в плазме, используемой для осаждения и обработки связанных материалов, варьируется от примерно 10 -4 в типичных емкостных разрядах до 5-10% в индуктивной плазме высокой плотности. Плазма для обработки обычно работает при давлении от нескольких миллиторр до нескольких торр., хотя дуговые разряды и индукционная плазма могут зажигаться при атмосферном давлении. Плазма с низкой фракционной ионизацией представляет большой интерес для обработки материалов, поскольку электроны настолько легкие по сравнению с атомами и молекулами, что обмен энергией между электронами и нейтральным газом очень неэффективен. Следовательно, электроны могут поддерживаться при очень высоких эквивалентных температурах - десятках тысяч кельвинов, что эквивалентно средней энергии в несколько электронвольт - в то время как нейтральные атомы остаются при температуре окружающей среды. Эти энергичные электроны могут вызывать многие процессы, которые в противном случае были бы очень маловероятными при низких температурах, такие как диссоциация молекул-предшественников и создание большого количества свободных радикалов.

Второе преимущество осаждения внутри разряда связано с тем, что электроны более подвижны, чем ионы. Как следствие, плазма обычно более положительна, чем любой объект, с которым она контактирует, поскольку в противном случае большой поток электронов перетекал бы от плазмы к объекту. Разница в напряжении между плазмой и объектами на ее контактах обычно возникает в области тонкой оболочки. Ионизированные атомы или молекулы, которые диффундируют к краю области оболочки, ощущают электростатическую силу и ускоряются к соседней поверхности. Таким образом, все поверхности, подвергающиеся воздействию плазмы, подвергаются бомбардировке энергичными ионами. Потенциал на оболочке, окружающей электрически изолированный объект (плавающий потенциал), обычно составляет всего 10–20 В,но гораздо более высокие потенциалы оболочки достигаются путем корректировки геометрии и конфигурации реактора. Таким образом, пленки могут подвергаться бомбардировке энергичными ионами во время осаждения. Эта бомбардировка может привести к увеличению плотности пленки и помочь удалить загрязнения, улучшая электрические и механические свойства пленки. Когда используется плазма высокой плотности, плотность ионов может быть достаточно высокой, чтобыпроисходит распыление нанесенной пленки; это напыление можно использовать для выравнивания пленки и заполнения канавок или отверстий.

Типы реакторов [ править ]

Эта коммерческая система была разработана для области полупроводников и содержит три мишени диаметром 8 дюймов, которые можно запускать индивидуально или одновременно для нанесения металлических или диэлектрических пленок на подложки диаметром до 24 дюймов. Используется в Аргоннской национальной лаборатории .

Простой разряд постоянного тока может быть легко создан при давлении в несколько торр между двумя проводящими электродами и может быть подходящим для осаждения проводящих материалов. Однако изолирующие пленки быстро погашают этот разряд по мере их нанесения. Чаще всего возбуждают емкостной разряд, прикладывая переменный или высокочастотный сигнал между электродом и проводящими стенками камеры реактора или между двумя цилиндрическими проводящими электродами, обращенными друг к другу. Последняя конфигурация известна как реактор с параллельными пластинами. Частоты от нескольких десятков Гц до нескольких тысяч Гц будут производить изменяющуюся во времени плазму, которая неоднократно инициируется и гаснет; частоты от десятков килогерц до десятков мегагерц приводят к достаточно независимым от времени разрядам.

Частоты возбуждения в низкочастотном (НЧ) диапазоне, обычно около 100 кГц, требуют нескольких сотен вольт для поддержания разряда. Эти большие напряжения приводят к бомбардировке поверхностей ионами высокой энергии. Высокочастотная плазма часто возбуждается на стандартной частоте 13,56 МГц.частота широко доступна для промышленного использования; на высоких частотах ток смещения из-за движения оболочки и рассеяния на оболочке способствует ионизации, и, таким образом, более низких напряжений достаточно для достижения более высоких плотностей плазмы. Таким образом, можно регулировать химический состав и ионную бомбардировку при осаждении, изменяя частоту возбуждения или используя смесь низкочастотных и высокочастотных сигналов в двухчастотном реакторе. Мощность возбуждения от десятков до сотен ватт характерна для электрода диаметром от 200 до 300 мм.

Емкостная плазма обычно очень слабо ионизируется, что приводит к ограниченной диссоциации прекурсоров и низкой скорости осаждения. Более плотная плазма может быть создана с помощью индукционных разрядов, в которых индукционная катушка, возбуждаемая высокочастотным сигналом, индуцирует электрическое поле внутри разряда, ускоряя электроны в самой плазме, а не только на краю оболочки. Реакторы электронного циклотронного резонанса и антенны с геликонной волной также использовались для создания разрядов высокой плотности. В современных реакторах часто используются мощности возбуждения 10 кВт и более.

Плазма высокой плотности также может быть создана разрядом постоянного тока в богатой электронами среде, полученной термоэлектронной эмиссией из нагретых нитей. Напряжения, необходимые для дугового разряда, составляют порядка нескольких десятков вольт , что приводит к образованию ионов низкой энергии. Плазма с высокой плотностью и низкой энергией используется для эпитаксиального осаждения с высокой скоростью в реакторах химического осаждения из паровой фазы с улучшенной низкоэнергетической плазмой .

Истоки [ править ]

Работая в Standard Telecommunication Laboratories (STL), Харлоу, Эссекс, Суонн обнаружил, что высокочастотный разряд способствует осаждению соединений кремния на стенке сосуда из кварцевого стекла. [1] За несколькими внутренними публикациями STL в 1964 г. последовали заявки на патенты Франции [2], Великобритании [3] и США [4] . Статья была опубликована в августовском выпуске журнала Solid State Electronics за 1965 год. [5]

Сван присматривает за своим оригинальным прототипом оборудования тлеющего разряда в лаборатории STL Harlow, Essex, 1960-е годы. Это был прорыв в осаждении тонких пленок аморфного кремния, нитрида кремния, диоксида кремния при температурах значительно ниже, чем нанесение методом пиролитической химии.

Примеры фильмов и приложения [ править ]

Плазменное напыление часто используется в производстве полупроводников для конформного осаждения пленок (покрытия боковых стенок) и на пластинах, содержащих металлические слои или другие термочувствительные структуры. PECVD также обеспечивает одни из самых высоких скоростей осаждения при сохранении качества пленки (например, шероховатости, дефектов / пустот) по сравнению с напылением и термическим / электронно-лучевым испарением, часто за счет однородности.

Диоксид кремния может быть нанесен с использованием комбинации газов-предшественников кремния, таких как дихлорсилан или силан, и предшественников кислорода, таких как кислород и закись азота , обычно при давлении от нескольких миллиторр до нескольких торр. Нитрид кремния, нанесенный плазмой , образованный из силана и аммиака или азота , также широко используется, хотя важно отметить, что таким образом невозможно нанести чистый нитрид. Нитриды плазмы всегда содержат большое количество водорода , который может быть связан с кремнием (Si-H) или азотом (Si-NH);[6] этот водород оказывает важное влияние на поглощение в инфракрасном и УФ-диапазоне, [7] стабильность, механическое напряжение и электрическую проводимость. [8] Он часто используется в качестве поверхностного и объемного пассивирующего слоя для коммерческих мультикристаллических кремниевых фотоэлектрических элементов. [9]

Диоксид кремния можно также осаждать из тетраэтоксисиланового (TEOS) предшественника кремния в кислородной или кислородно-аргоновой плазме. Эти пленки могут быть загрязнены значительным количеством углерода и водорода, например силанола , и могут быть нестабильными на воздухе [ необходима цитата ] . Давление в несколько торр и малое расстояние между электродами и / или двухчастотное осаждение помогают достичь высоких скоростей осаждения с хорошей стабильностью пленки.

Плазменное осаждение диоксида кремния из силана и кислорода / аргона с высокой плотностью широко используется для создания пленки, почти не содержащей водорода, с хорошей конформностью на сложных поверхностях, последнее является результатом интенсивной ионной бомбардировки и последующего распыления осажденных молекул из вертикального положения на поверхность. горизонтальные поверхности [ ссылка ] .

См. Также [ править ]

  • Список статей по физике плазмы
  • Химическое осаждение из паровой фазы с использованием низкоэнергетической плазмы

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Из первых рук: рождение химии тлеющего разряда (он же PECVD) - Wiki по истории инженерии и технологий» . ethw.org . Проверено 13 июля 2018 .
  2. ^ Стерлинг и Суонн. "Совершенствование методов формирования диванов" . base-brevets.inpi.fr . Проверено 13 июля 2018 .
  3. ^ Стерлинг и Суонн, Усовершенствования или относящиеся к способу формирования слоя неорганического соединения
  4. ^ Стерлинг и Сванн, Метод формирования покрытий из оксида кремния в электрическом разряде
  5. ^ Стерлинг, HF; Суонн, RCG (1965-08-01). «Химическое осаждение из паровой фазы, способствующее высокочастотному разряду». Твердотельная электроника . 8 (8): 653–654. DOI : 10.1016 / 0038-1101 (65) 90033-X . ISSN 0038-1101 . 
  6. ^ Ay и Aydinli. Сравнительное исследование водородных связей в диэлектриках для оптических волноводов на основе кремния, выращенных методом PECVD. Оптические материалы (2004) т. 26 (1) с. 33-46
  7. ^ Альберс и др. Снижение потерь, вызванных водородом, в оптических волноводах PECVD-SiOxNy в ближней инфракрасной области. Ежегодное собрание Общества лазеров и электрооптики, 1995 г. Материалы конференции 8-го ежегодного собрания, том 1., IEEE (1995) vol. 2 с. 88-89 т. 2
  8. ^ Г. Теллез и др., ИНФРАКРАСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА SiN-ПЛЕН НА Si ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАСТЕР НАУКИ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ, Военно-морская аспирантура, Монтерей, Калифорния, США (2004)
  9. ^ Эль Амрани, А .; Menous, I .; Mahiou, L .; Tadjine, R .; Туати, А .; Лефгум, А. (2008-10-01). «Пленка из нитрида кремния для солнечных батарей». Возобновляемая энергия . 33 (10): 2289–2293. DOI : 10.1016 / j.renene.2007.12.015 .