Плазмо-усиленное 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 создания плазмы реагирующих газов. Плазма обычно создается с помощью радиочастотного (РЧ) ( переменного тока (АС)) или постоянного тока ( DC) разряда между двумя электродами , пространство между которыми заполнено реагирующими газами.
Плазма — это любой газ, в котором значительный процент атомов или молекул ионизирован. Фракционная ионизация в плазме, используемой для осаждения и обработки сопутствующих материалов, варьируется от примерно 10–4 в типичных емкостных разрядах до 5–10% в индуктивной плазме высокой плотности. Обрабатывающая плазма обычно работает при давлении от нескольких миллиторр до нескольких торр , хотя дуговые разряды и индуктивная плазма могут зажигаться и при атмосферном давлении. Плазма с низкой фракционной ионизацией представляет большой интерес для обработки материалов, поскольку электроны настолько легки 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 больших количеств 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 находится в контакте, поскольку в противном случае из плазмы к объекту перетекал бы большой поток электронов. Разница в напряжении между плазмой и объектами в ее контактах обычно возникает в тонкой области оболочки. Ионизированные атомы или молекулы, которые диффундируют к краю области оболочки, испытывают электростатическую силу и ускоряются по направлению к соседней поверхности. Таким образом, все поверхности, подвергающиеся воздействию плазмы, подвергаются бомбардировке энергичными ионами. Потенциал оболочки, окружающей электрически изолированный объект (плавающий потенциал), обычно составляет всего 10–20 В, но гораздо более высокие потенциалы оболочки могут быть достигнуты за счет 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. При использовании плазмы высокой плотности плотность ионов может быть настолько высокой, что происходит значительное распыление осажденной пленки; такое распыление можно использовать для выравнивания пленки и заполнения траншей или отверстий.
Простой разряд постоянного тока можно легко создать при давлении в несколько торр между двумя проводящими электродами, и он может быть пригоден для осаждения проводящих материалов. Однако изолирующие пленки быстро погасят этот разряд по мере их осаждения. Емкостный разряд чаще всего возбуждают путем подачи переменного или радиочастотного сигнала между электродом и проводящими стенками реакторной камеры 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 создавать изменяющуюся во времени плазму, которая неоднократно зажигается и гаснет; частоты от десятков килогерц до десятков мегагерц приводят к разрядам, достаточно независимым от времени.
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 , широко доступной для промышленного использования; на высоких частотах ток смещения от движения оболочки и рассеяние на ней способствуют ионизации, и, таким образом, более низкие напряжения достаточны для достижения более высоких плотностей плазмы. Таким образом, можно регулировать химию 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 ионизирована, что приводит к ограниченной диссоциации предшественников и низким скоростям осаждения. Гораздо более плотную плазму можно создать с помощью индуктивных разрядов, в которых индуктивная 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 геликонных волн также использовались для создания разрядов высокой плотности. В современных реакторах часто применяется мощность возбуждения 10 кВт и более.
Плазму высокой плотности также можно генерировать с помощью разряда постоянного тока в среде, богатой электронами, полученной термоэлектронной эмиссией из нагретых нитей. Напряжения, необходимые для дугового разряда, составляют порядка нескольких десятков вольт , что приводит к образованию ионов с низкой энергией. Плазма высокой плотности и низкой энергии используется для эпитаксиального осаждения с высокими скоростями в реакторах химического осаждения из паровой фазы с низкоэнергетической плазмой .
Работая в Standard Telecommunication Laboratories (STL), Харлоу, Эссекс, Р. К. Сванн обнаружил, что РЧ-разряд способствует осаждению соединений кремния на стенках сосуда из кварцевого стекла. [1] За несколькими внутренними публикациями STL в 1964 году последовали патентные заявки во Франции, [2] Великобритании [3] и США [4] . Статья была опубликована в августовском выпуске журнала Solid State Electronics за 1965 год. [5]
Плазменное осаждение часто используется в производстве полупроводников для конформного осаждения пленок (покрывающих боковые стенки) и на пластины, содержащие 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 осаждением распылением 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 давлениях от нескольких миллиторр до нескольких торр. Нитрид кремния , осажденный в плазме , образованный из силана и аммиака или азота , также широко используется, хотя важно отметить, что таким способом невозможно осаждать чистый нитрид. Плазменные нитриды 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 ИК- и УФ-излучения, [7] стабильность, механическое напряжение и электропроводность. [8] Его часто используют в качестве поверхностного и объемного пассивирующего слоя для коммерческих фотоэлектрических элементов из мультикристаллического кремния. [9]
Диоксид кремния также можно осаждать из предшественника кремния тетраэтилортосиликата (ТЭОС) в кислородной или кислородно-аргоновой плазме. Эти пленки могут быть загрязнены значительным количеством углерода и водорода, таких как силанол , и могут быть нестабильными на воздухе . Давление в несколько Торр и небольшое расстояние между электродами и/или двухчастотное осаждение помогают достичь высоких скоростей осаждения с хорошей стабильностью пленки.
Плазменное осаждение диоксида кремния высокой плотности из силана и кислорода/аргона широко использовалось для создания почти безводородной пленки с хорошей конформностью на сложных поверхностях, причем последняя является результатом интенсивной ионной бомбардировки и последующего распыления осажденных молекул вертикально на поверхность. горизонтальные поверхности [ необходима ссылка на источник ] .