Plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme - Plasma-enhanced chemical vapor deposition
Plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme ( PECVD ), ince filmleri bir alt tabaka üzerinde bir gaz halinden ( buhar ) katı hale geçirmek için kullanılan bir kimyasal buhar biriktirme işlemidir . Reaksiyona giren gazların bir plazmasının oluşturulmasından sonra meydana gelen süreçte kimyasal reaksiyonlar yer alır . Plazma , genel olarak oluşturulur radyo frekansı (RF) ( alternatif akım (AC)), frekans veya doğru akım , iki arasında (DC) deşarj elektrotları reaksiyona gazlarla doldurulan boşluk, bunların arasına.
Süreçler için deşarjlar
Plazma, atomların veya moleküllerin önemli bir yüzdesinin iyonize olduğu herhangi bir gazdır. Yaklaşık 10 arasında değişir işleme çökeltme ve benzeri malzemeler için kullanılan plazmalardaki Kesirli iyonizasyon -4 tipik kapasitif deşarj en yüksek olarak 5-10% 'si yüksek yoğunluklu endüktif plazmalarda. Ark deşarjları ve endüktif plazmalar atmosfer basıncında ateşlenebilse de, işleme plazmaları tipik olarak birkaç militor ila birkaç torr arasındaki basınçlarda çalıştırılır. Düşük fraksiyonel iyonizasyona sahip plazmalar, malzeme işleme için büyük ilgi görmektedir, çünkü elektronlar atomlara ve moleküllere kıyasla çok hafiftir, elektronlar ve nötr gaz arasındaki enerji alışverişi çok verimsizdir. Bu nedenle, nötr atomlar ortam sıcaklığında kalırken elektronlar çok yüksek eşdeğer sıcaklıklarda (birkaç elektronvolt ortalama enerjiye eşdeğer on binlerce kelvin) tutulabilir. Bu enerjik elektronlar, öncü moleküllerin ayrışması ve büyük miktarlarda serbest radikallerin yaratılması gibi düşük sıcaklıklarda çok olası olmayan birçok süreci indükleyebilir.
Bir deşarj içinde biriktirmenin ikinci faydası, elektronların iyonlardan daha hareketli olmasından kaynaklanır. Sonuç olarak, plazma normalde temas halinde olduğu herhangi bir nesneden daha pozitiftir, aksi takdirde plazmadan nesneye büyük bir elektron akışı akacaktır. Plazma ve kontaklarındaki nesneler arasındaki voltaj farkı normalde ince bir kılıf bölgesi boyunca meydana gelir. Kılıf bölgesinin kenarına yayılan iyonize atomlar veya moleküller, elektrostatik bir kuvvet hisseder ve komşu yüzeye doğru hızlanır. Böylece plazmaya maruz kalan tüm yüzeyler enerjik iyon bombardımanı alır. Elektriksel olarak yalıtılmış bir nesneyi çevreleyen kılıf boyunca potansiyel (yüzen potansiyel) tipik olarak sadece 10-20 V'dir, ancak reaktör geometrisi ve konfigürasyonundaki ayarlamalarla çok daha yüksek kılıf potansiyelleri elde edilebilir. Böylece filmler, biriktirme sırasında enerjik iyon bombardımanına maruz kalabilir. Bu bombardıman filmin yoğunluğunun artmasına neden olabilir ve kirleticilerin giderilmesine yardımcı olarak filmin elektriksel ve mekanik özelliklerini iyileştirebilir. Yüksek yoğunluklu bir plazma kullanıldığında, iyon yoğunluğu , biriken filmin önemli ölçüde saçılmasının meydana gelmesine yetecek kadar yüksek olabilir ; bu püskürtme, filmi düzlemselleştirmeye ve hendekleri veya delikleri doldurmaya yardımcı olmak için kullanılabilir.
reaktör türleri
Basit bir DC deşarjı, iki iletken elektrot arasında birkaç tor'da kolayca oluşturulabilir ve iletken malzemelerin biriktirilmesi için uygun olabilir. Bununla birlikte, yalıtkan filmler, biriktikçe bu deşarjı hızla söndürecektir. Bir elektrot ile bir reaktör odasının iletken duvarları arasına veya birbirine bakan iki silindirik iletken elektrot arasına bir AC veya RF sinyali uygulayarak kapasitif bir deşarjı uyarmak daha yaygındır. İkinci konfigürasyon, bir paralel plaka reaktörü olarak bilinir. Birkaç on Hz ila birkaç bin Hz arasındaki frekanslar , tekrar tekrar başlatılan ve söndürülen zamanla değişen plazmalar üretecektir; onlarca kilohertz ila onlarca megahertz arasındaki frekanslar, makul ölçüde zamandan bağımsız deşarjlarla sonuçlanır.
Düşük frekans (LF) aralığındaki, genellikle 100 kHz civarındaki uyarma frekansları, deşarjı sürdürmek için birkaç yüz volt gerektirir. Bu büyük voltajlar, yüzeylerin yüksek enerjili iyon bombardımanına yol açar. Yüksek frekanslı plazmalar genellikle endüstriyel kullanım için yaygın olarak bulunan standart 13.56 MHz frekansında uyarılır ; yüksek frekanslarda, kılıf hareketinden kaynaklanan yer değiştirme akımı ve kılıftan saçılma iyonizasyona yardımcı olur ve bu nedenle daha yüksek plazma yoğunlukları elde etmek için daha düşük voltajlar yeterlidir. Böylece, uyarma frekansını değiştirerek veya çift frekanslı bir reaktörde düşük ve yüksek frekanslı sinyallerin bir karışımını kullanarak birikimdeki kimya ve iyon bombardımanı ayarlanabilir. Onlarca ila yüzlerce watt'lık uyarma gücü, 200 ila 300 mm çapında bir elektrot için tipiktir.
Kapasitif plazmalar genellikle çok hafif iyonizedir, bu da öncülerin sınırlı ayrışmasına ve düşük birikme oranlarına neden olur. Yüksek frekanslı bir sinyalle uyarılan endüktif bir bobinin deşarj içinde bir elektrik alanı indüklediği, sadece kılıf kenarında değil, plazmanın kendisindeki elektronları hızlandıran endüktif deşarjlar kullanılarak çok daha yoğun plazmalar oluşturulabilir. Elektron siklotron rezonans reaktörleri ve helikon dalga antenleri de yüksek yoğunluklu deşarjlar oluşturmak için kullanılmıştır. Modern reaktörlerde genellikle 10 kW veya daha fazla uyarma güçleri kullanılır.
Yüksek yoğunluklu plazmalar, ısıtılmış filamentlerden termiyonik emisyonla elde edilen elektronca zengin bir ortamda DC deşarjı ile de üretilebilir. Ark deşarjının gerektirdiği voltajlar birkaç on volt mertebesindedir , bu da düşük enerjili iyonlara neden olur. Yüksek yoğunluklu, düşük enerjili plazma, Düşük Enerjili Plazma-Geliştirilmiş kimyasal buhar biriktirme reaktörlerinde yüksek oranlarda epitaksiyel biriktirme için kullanılır .
kökenler
Standart Telekomünikasyon Laboratuarlarında (STL), Harlow, Essex'te çalışan Swann, RF deşarjının kuvars cam kap duvarı üzerinde silikon bileşiklerinin birikmesini desteklediğini keşfetti. Çeşitli dahili STL yayınlarını 1964'te Fransız, İngiliz ve ABD patent başvuruları izledi. Solid State Electronics'in Ağustos 1965 sayısında bir makale yayınlandı.
|
|
|
|---|
Film örnekleri ve uygulamaları
Plazma biriktirme genellikle yarı iletken imalatında filmleri uyumlu olarak (yan duvarları kaplayan) ve metal katmanları veya diğer sıcaklığa duyarlı yapıları içeren gofretler üzerine yerleştirmek için kullanılır. PECVD ayrıca, püskürtme biriktirme ve termal/elektron ışını buharlaşmasına kıyasla film kalitesini (pürüzlülük, kusurlar/boşluklar gibi) korurken en hızlı biriktirme oranlarından bazılarını verir , çoğu zaman tekdüzelik pahasına.
silikon dioksit birikimi
Silikon dioksit , diklorosilan veya silan gibi silikon öncü gazlarının ve oksijen ve nitröz oksit gibi oksijen öncülerinin bir kombinasyonunu kullanarak , tipik olarak birkaç militor ila birkaç torr arasındaki basınçlarda biriktirilebilir . Silan ve amonyak veya nitrojenden oluşan plazma biriktirilmiş silikon nitrür de yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak bu şekilde saf bir nitrür biriktirmenin mümkün olmadığına dikkat etmek önemlidir. Plazma nitrürleri her zaman silikona (Si-H) veya nitrojene (Si-NH) bağlanabilen büyük miktarda hidrojen içerir ; bu hidrojenin IR ve UV absorpsiyonu, stabilite, mekanik stres ve elektriksel iletkenlik üzerinde önemli bir etkisi vardır. Bu genellikle ticari çok kristalli silikon fotovoltaik hücreler için bir yüzey ve toplu pasifleştirici katman olarak kullanılır .
Silikon dioksit ayrıca bir oksijen veya oksijen-argon plazmasında bir tetraetoksisilan (TEOS) silikon öncüsünden de biriktirilebilir . Bu filmler silanol olarak önemli miktarda karbon ve hidrojen ile kirlenebilir ve havada kararsız olabilir. Birkaç torr ve küçük elektrot aralığının basınçları ve/veya çift frekans biriktirme, iyi film kararlılığı ile yüksek biriktirme oranlarının elde edilmesine yardımcı olur.
Silan ve oksijen/argondan silikon dioksitin yüksek yoğunluklu plazma birikimi, karmaşık yüzeyler üzerinde iyi uyumluluğa sahip neredeyse hidrojen içermeyen bir film oluşturmak için yaygın olarak kullanılmıştır, ikincisi yoğun iyon bombardımanından ve bunun sonucunda biriken moleküllerin dikeyden yüzeye saçılmasından kaynaklanır. yatay yüzeyler.
