Plasmaforbedret kjemisk dampavsetning - Plasma-enhanced chemical vapor deposition

PECVD -maskin ved LAAS teknologiske anlegg i Toulouse, Frankrike.

Plasmaforbedret kjemisk dampavsetning ( PECVD ) er en kjemisk dampavsetningsprosess som brukes til å avsette tynne filmer fra en gasstilstand ( damp ) til en fast tilstand på et substrat . Kjemiske reaksjoner er involvert i prosessen, som oppstår etter dannelse av et plasma av de reagerende gassene. Den plasma er vanligvis laget av radiofrekvens (RF) ( vekselstrøm (AC)) frekvens eller likestrøm (DC) utladning mellom to elektroder , i rommet mellom hvilke er fylt med de reagerende gasser.

Utslipp for prosesser

Et plasma er enhver gass der en betydelig prosentandel av atomene eller molekylene er ionisert. Fraksjonell ionisering i plasma som brukes til avsetning og beslektet materialbehandling, varierer fra omtrent 10–4 ved typiske kapasitive utladninger til så høyt som 5–10% i induktive plasmaer med høy tetthet. Behandlingsplasma opereres vanligvis ved trykk på noen få millimeter til noen få torr , selv om lysbueutladninger og induktive plasma kan antennes ved atmosfæretrykk. Plasmaer med lav fraksjonert ionisering er av stor interesse for materialbehandling fordi elektroner er så lette, sammenlignet med atomer og molekyler, at energiutveksling mellom elektronene og nøytral gass er svært ineffektiv. Derfor kan elektronene opprettholdes ved svært høye ekvivalente temperaturer - titusenvis av kelvin, tilsvarende flere elektronvolts gjennomsnittlig energi - mens de nøytrale atomene forblir ved omgivelsestemperaturen. Disse energiske elektronene kan indusere mange prosesser som ellers ville vært svært usannsynlige ved lave temperaturer, for eksempel dissosiasjon av forløpermolekyler og dannelse av store mengder frie radikaler.

Den andre fordelen med avsetning i en utladning oppstår fra det faktum at elektroner er mer mobile enn ioner. Som en konsekvens er plasma normalt mer positivt enn noe objekt det er i kontakt med, da ellers ville en stor strøm av elektroner strømme fra plasmaet til objektet. Forskjellen i spenning mellom plasmaet og objektene i kontaktene oppstår normalt over et tynt kappeområde. Ioniserte atomer eller molekyler som diffunderer til kanten av skjedeområdet, føler en elektrostatisk kraft og akselereres mot den nærliggende overflaten. Dermed mottar alle overflater utsatt for plasma energisk ionbombardement. Potensialet over kappen som omgir et elektrisk isolert objekt (det flytende potensialet) er vanligvis bare 10–20 V, men mye høyere skjedepotensialer kan oppnås ved justeringer i reaktorgeometri og konfigurasjon. Dermed kan filmer utsettes for energisk ionbombardement under avsetning. Dette bombardementet kan føre til økning i filmens tetthet, og bidra til å fjerne forurensninger, forbedre filmens elektriske og mekaniske egenskaper. Når et plasma med høy tetthet brukes, kan ionetettheten være høy nok til at det oppstår betydelig sputtering av den avsatte filmen; denne sprutingen kan brukes for å hjelpe til med å planisere filmen og fylle grøfter eller hull.

Reaktortyper

Dette kommersielle systemet ble designet for halvlederfeltet og inneholder tre 8 "-diameter-mål som kan kjøres individuelt eller samtidig for å avsette metalliske eller dielektriske filmer på underlag på opptil 24" i diameter. I bruk ved Argonne National Laboratory .

En enkel DC -utladning kan lett opprettes ved noen få torr mellom to ledende elektroder, og kan være egnet for avsetning av ledende materialer. Imidlertid vil isolerende filmer raskt slukke denne utslippet når de blir avsatt. Det er mer vanlig å eksitere en kapasitiv utladning ved å påføre et AC- eller RF -signal mellom en elektrode og de ledende veggene i et reaktorkammer, eller mellom to sylindriske ledende elektroder som vender mot hverandre. Den sistnevnte konfigurasjonen er kjent som en parallellplatereaktor. Frekvenser på noen få titalls Hz til noen få tusen Hz vil produsere tidsvarierende plasmaer som blir igangsatt og slukket gjentatte ganger; frekvenser på titalls kilohertz til titalls megahertz resulterer i rimelig tidsuavhengige utslipp.

Eksitasjonsfrekvenser i lavfrekvensområdet (LF), vanligvis rundt 100 kHz, krever flere hundre volt for å opprettholde utladningen. Disse store spenningene fører til ionebombardement av overflater med høy energi. Høyfrekvente plasmaer er ofte begeistret for standard 13,56 MHz frekvens som er allment tilgjengelig for industriell bruk; ved høye frekvenser hjelper forskyvningsstrømmen fra kappebevegelse og spredning fra kappen til ionisering, og dermed er lavere spenninger tilstrekkelige for å oppnå høyere plasmatettheter. Dermed kan man justere kjemi og ionebombardement i avsetningen ved å endre eksitasjonsfrekvensen, eller ved å bruke en blanding av lav- og høyfrekvente signaler i en dobbeltfrekvent reaktor. Eksitasjonseffekt på titalls til hundrevis av watt er typisk for en elektrode med en diameter på 200 til 300 mm.

Kapasitive plasmaer er vanligvis veldig lett ioniserte, noe som resulterer i begrenset dissosiasjon av forløpere og lave avsetningshastigheter. Mye tettere plasma kan opprettes ved hjelp av induktive utladninger, der en induktiv spole opphisset med et høyfrekvent signal induserer et elektrisk felt i utladningen, og akselererer elektroner i selve plasmaet i stedet for bare ved kappekanten. Elektron-syklotronresonansreaktorer og helikonbølgeantenner har også blitt brukt til å lage utslipp med høy tetthet. Eksitasjonseffekter på 10 kW eller mer brukes ofte i moderne reaktorer.

Plasmaer med høy tetthet kan også genereres av en DC-utladning i et elektronrikt miljø, oppnådd ved termionisk utslipp fra oppvarmede filamenter. Spenningene som kreves av lysbueutladningen er i størrelsesorden noen få titalls volt , noe som resulterer i ioner med lav energi. Plasmaet med høy tetthet og lav energi utnyttes for epitaksial avsetning ved høye hastigheter i lavenergiplasma -forbedrede kjemiske dampavsetningsreaktorer .

Opprinnelse

Ved å arbeide ved Standard Telecommunication Laboratories (STL), Harlow, Essex, oppdaget Swann at RF -utslipp fremmet avsetning av silisiumforbindelser på kvartsglassbeholderveggen. Flere interne STL -publikasjoner ble fulgt i 1964 av franske, britiske og amerikanske patentsøknader. En artikkel ble publisert i volumet av Solid State Electronics i august 1965.

Swann tok seg av sin opprinnelige prototype utstyr for utladning av glød i laboratoriet på STL Harlow, Essex på 1960 -tallet. Det representerte et gjennombrudd i avsetningen av tynne filmer av amorft silisium, silisiumnitrid, silisiumdioksid ved temperaturer som er vesentlig lavere enn det som ble avsatt ved pyrolytisk kjemi.
Richard Swann glødutladningsfoto 1.jpg Richard Swann glødutladning foto 2.jpg Richard Swann glødutladningsfoto 3.jpg

Filmeksempler og applikasjoner

Plasmaavsetning brukes ofte i halvlederproduksjon for å deponere filmer i samsvar (dekker sidevegger) og på skiver som inneholder metalllag eller andre temperaturfølsomme strukturer. PECVD gir også noen av de raskeste avsetningshastighetene mens filmkvaliteten opprettholdes (for eksempel grovhet, defekter/hulrom), sammenlignet med sputteravsetning og termisk/elektronstrålefordampning, ofte på bekostning av ensartethet.

Avsetning av silisiumdioksid

Silisiumdioksid kan deponeres ved å bruke en kombinasjon av silisiumforløpergasser som diklorsilan eller silan og oksygenforløpere, for eksempel oksygen og lystgass , vanligvis ved trykk fra noen få millitorr til noen få torr. Plasmaavsatt silisiumnitrid , dannet av silan og ammoniakk eller nitrogen , er også mye brukt, selv om det er viktig å merke seg at det ikke er mulig å avsette et rent nitrid på denne måten. Plasmanitrider inneholder alltid en stor mengde hydrogen , som kan bindes til silisium (Si-H) eller nitrogen (Si-NH); dette hydrogenet har en viktig innflytelse på IR- og UV -absorpsjon, stabilitet, mekanisk belastning og elektrisk ledningsevne. Dette brukes ofte som et overflate- og bulkpassiverende lag for kommersielle multikrystallinske silisiumfotovoltaiske celler.

Silisiumdioksid kan også deponeres fra en tetraetoksysilan (TEOS) silisiumforløper i et oksygen- eller oksygen-argonplasma. Disse filmene kan være forurenset med betydelig karbon og hydrogen som silanol , og kan være ustabile i luft. Trykk på noen få torr og små elektrodeavstander, og/eller tofrekvensavsetning, er nyttig for å oppnå høye avsetningshastigheter med god filmstabilitet.

Plasmaavsetning av høy tetthet av silisiumdioksid fra silan og oksygen/argon har vært mye brukt for å lage en nesten hydrogenfri film med god konformitet over komplekse overflater, sistnevnte som følge av intens ionbombardering og påfølgende sputtering av de avsatte molekylene fra vertikal til horisontale overflater.

Se også

Referanser