Plasmaförstärkt kemisk ångavsättning
Plasmaförstärkt kemisk ångavsättning ( PECVD ) är en kemisk ångavsättningsprocess som används för att avsätta tunna filmer från ett gastillstånd ( ånga ) till ett fast tillstånd på ett substrat . Kemiska reaktioner är involverade i processen, som inträffar efter att ett plasma av de reagerande gaserna har skapats. Plasma skapas vanligtvis av radiofrekvens (RF) ( växelström (AC)) frekvens eller likström (DC) urladdning mellan två elektroder , utrymmet mellan vilka är fyllt med de reagerande gaserna.
Utsläpp för processer
En plasma är vilken gas som helst där en betydande andel av atomerna eller molekylerna joniseras. Fraktionerad jonisering i plasma som används för avsättning och bearbetning av relaterade material varierar från cirka 10–4 i typiska kapacitiva urladdningar till så högt som 5–10 % i induktiva plasma med hög densitet. Bearbetningsplasma drivs typiskt vid ett tryck på några millitorr till några torr , även om ljusbågsurladdningar och induktiva plasma kan antändas vid atmosfärstryck. Plasma med låg fraktionerad jonisering är av stort intresse för materialbearbetning eftersom elektroner är så lätta, jämfört med atomer och molekyler, att energiutbytet mellan elektronerna och neutral gas är mycket ineffektivt. Därför kan elektronerna hållas vid mycket höga ekvivalenta temperaturer - tiotusentals kelvin, motsvarande flera elektronvolts medelenergi - medan de neutrala atomerna förblir vid omgivningstemperaturen. Dessa energiska elektroner kan inducera många processer som annars skulle vara mycket osannolika vid låga temperaturer, såsom dissociation av prekursormolekyler och skapandet av stora mängder fria radikaler.
Den andra fördelen med avsättning inom en urladdning uppstår från det faktum att elektroner är mer rörliga än joner. Som en konsekvens är plasmat normalt mer positivt än något föremål som det är i kontakt med, eftersom annars ett stort flöde av elektroner skulle flöda från plasman till objektet. Skillnaden i spänning mellan plasman och föremålen i dess kontakter uppstår normalt över ett tunt mantelområde. Joniserade atomer eller molekyler som diffunderar till kanten av mantelområdet känner en elektrostatisk kraft och accelereras mot den närliggande ytan. Således får alla ytor som exponeras för plasman energiskt jonbombardement. Potentialen över manteln som omger ett elektriskt isolerat objekt (den flytande potentialen) är vanligtvis bara 10–20 V, men mycket högre mantelpotentialer kan uppnås genom justeringar i reaktorgeometri och konfiguration. Således kan filmer utsättas för energiskt jonbombardement under deponering. Detta bombardemang kan leda till ökningar i filmens densitet och hjälpa till att avlägsna föroreningar, vilket förbättrar filmens elektriska och mekaniska egenskaper. När en högdensitetsplasma används kan jondensiteten vara tillräckligt hög för att betydande förstoftning av den avsatta filmen inträffar; denna förstoftning kan användas för att hjälpa till att plana filmen och fylla diken eller hål.
Reaktortyper
En enkel DC-urladdning kan lätt skapas vid några torra mellan två ledande elektroder och kan vara lämplig för avsättning av ledande material. Isolerande filmer kommer dock snabbt att släcka denna urladdning när de avsätts. Det är vanligare att excitera en kapacitiv urladdning genom att applicera en AC- eller RF-signal mellan en elektrod och de ledande väggarna i en reaktorkammare, eller mellan två cylindriska ledande elektroder som är vända mot varandra. Den senare konfigurationen är känd som en parallellplattreaktor. Frekvenser på några tiotals Hz till några tusen Hz kommer att producera tidsvarierande plasma som upprepade gånger initieras och släcks; frekvenser på tiotals kilohertz till tiotals megahertz resulterar i någorlunda tidsoberoende urladdningar.
Excitationsfrekvenser i lågfrekvensområdet (LF), vanligtvis runt 100 kHz, kräver flera hundra volt för att upprätthålla urladdningen. Dessa höga spänningar leder till högenergijonbombardemang av ytor. Högfrekventa plasma är ofta exciterade vid standardfrekvensen 13,56 MHz som är allmänt tillgänglig för industriell användning; vid höga frekvenser hjälper förskjutningsströmmen från mantelrörelsen och spridningen från manteln till jonisering, och därför är lägre spänningar tillräckliga för att uppnå högre plasmadensiteter. Således kan man justera kemin och jonbombardementet i depositionen genom att ändra excitationsfrekvensen, eller genom att använda en blandning av låg- och högfrekventa signaler i en dubbelfrekvensreaktor. Excitationseffekt på tiotals till hundratals watt är typiskt för en elektrod med en diameter på 200 till 300 mm.
Kapacitiva plasma är vanligtvis mycket lätt joniserade, vilket resulterar i begränsad dissociation av prekursorer och låga avsättningshastigheter. Mycket tätare plasma kan skapas med hjälp av induktiva urladdningar, där en induktiv spole exciterad med en högfrekvent signal inducerar ett elektriskt fält i urladdningen, vilket accelererar elektroner i själva plasmat snarare än bara vid mantelkanten. Elektroncyklotronresonansreaktorer och helikonvågsantenner har också använts för att skapa högdensitetsurladdningar. Excitationseffekter på 10 kW eller mer används ofta i moderna reaktorer.
Plasma med hög densitet kan också genereras av en likströmsurladdning i en elektronrik miljö, erhållen genom termionisk emission från uppvärmda filament. Spänningarna som krävs av ljusbågsurladdningen är i storleksordningen några tiotals volt , vilket resulterar i lågenergijoner. Plasma med hög densitet och låg energi utnyttjas för epitaxial deponering vid höga hastigheter i lågenergiplasmaförstärkta kemiska ångdepositionsreaktorer .
Ursprung
Jobbar på Standard Telecommunication Laboratories (STL), Harlow, Essex, Swann [ vem ? ] upptäckte att RF-urladdning främjade avsättningen av kiselföreningar på kvartsglaskärlets vägg. Flera interna STL-publikationer följdes 1964 av franska, brittiska och amerikanska patentansökningar. En artikel publicerades i augusti 1965 års volym av Solid State Electronics.
|
|
|
|---|
Filmexempel och tillämpningar
Plasmaavsättning används ofta vid halvledartillverkning för att deponera filmer konformt (täcker sidoväggar) och på wafers som innehåller metallskikt eller andra temperaturkänsliga strukturer. PECVD ger också några av de snabbaste avsättningshastigheterna samtidigt som filmkvaliteten bibehålls (såsom grovhet, defekter/hålrum), jämfört med sputteravsättning och termisk/elektronstråleförångning, ofta på bekostnad av enhetlighet.
Kiseldioxidutfällning
Kiseldioxid kan avsättas med en kombination av kiselprekursorgaser som diklorsilan eller silan och syreprekursorer, såsom syre och dikväveoxid , typiskt vid tryck från några millitorr till några torr. Plasmaavsatt kiselnitrid , bildad av silan och ammoniak eller kväve , används också i stor utsträckning, även om det är viktigt att notera att det inte är möjligt att avsätta en ren nitrid på detta sätt. Plasmanitrider innehåller alltid en stor mängd väte , som kan bindas till kisel (Si-H) eller kväve (Si-NH); detta väte har ett viktigt inflytande på IR- och UV-absorption, stabilitet, mekanisk stress och elektrisk ledningsförmåga. Detta används ofta som ett yt- och bulkpassiverande skikt för kommersiella multikristallina fotovoltaiska kiselceller.
Kiseldioxid kan också avsättas från en tetraetylortosilikat (TEOS) kiselprekursor i en syre- eller syre-argonplasma. Dessa filmer kan vara förorenade med betydande kol och väte som silanol och kan vara instabila i luft [ citat behövs ] . Tryck på några torr och små elektrodavstånd, och/eller dubbelfrekvensavsättning, är till hjälp för att uppnå höga avsättningshastigheter med god filmstabilitet.
Plasmaavsättning med hög densitet av kiseldioxid från silan och syre/argon har använts i stor utsträckning för att skapa en nästan vätefri film med god överensstämmelse över komplexa ytor, det senare resultatet av intensivt jonbombardement och därav följande sputtering av de deponerade molekylerna från vertikalt till horisontella ytor [ citat behövs ] .