
PECVD 技術(shù)的特點
(1)等離子體增強化學(xué)氣相沉積溫度低。等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)的優(yōu)勢在于它可以在比傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積低得多的溫度下獲得單質(zhì)或化合物薄膜材料。它是借助于氣體輝光放電產(chǎn)生的低溫等離子體的能量激活 CVD 反應(yīng),電子的能量被用于產(chǎn)生反應(yīng)活性物和帶電粒子,而氣體的溫度本質(zhì)上不會增加。實際上,這是一種由輝光放電產(chǎn)生的非平衡等離子體,原本在熱力學(xué)平衡態(tài)下需要相當(dāng)高溫才能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),若利用這種非平衡等離子體便可以在低得多的溫度條件下實現(xiàn)。在常規(guī) CVD 技術(shù)中需要用外加熱使初始氣體分解,而在 PECVD 技術(shù)中是利用等離子體中電子的動能去激發(fā)氣相化學(xué)反應(yīng)的因此使用該項技術(shù),可在低的基體溫度 (一般低于 600℃)進行沉積。應(yīng)用 PECVD 技術(shù)許多在熱 CVD條件下進行十分緩慢或不能進行的反應(yīng)能夠得以進行。以下表格為一些膜層沉積中等離子體增強 CVD 與熱 CVD 典型的沉積溫度范圍。
等離子體增強 CVD 與熱 CVD 典型的積溫度范圍
沉積薄膜 | 沉積溫度/℃ | |
熱CVD | 等離子體增強 CVD | |
硅外延膜 | 1000~1250 | 750 |
多晶硅 | 650 | 200~400 |
Si3N4 | 900 | 300 |
SiO2 | 800~1100 | 300 |
TIC | 900~1100 | 500 |
TIN | 900~1100 | 500 |
WC | 1000 | 325~525 |
在上表格所示的沉積溫度下,采用熱 CVD 是根本不會發(fā)生任何反應(yīng)的。這正是因為上述所介紹的等離子體增強 CVD 不是靠氣體溫度使氣體激發(fā)、離解,而是靠等離子體中電子的高能量。在輝光放電的范圍所形成的等離子體的電子溫度能量在 1~10eV,完全可以打斷氣體原子間的化學(xué)鍵,使氣體激發(fā)和離解,形成高化學(xué)活性的離子和各種化學(xué)基團。這在半導(dǎo)體工藝摻雜中十分有用,如硼、磷在溫度超過 800C時,就會產(chǎn)生顯著擴散使器件性能變壞。采用等離子體增強 CVD,可容易地在這些摻雜的襯底上沉積各種膜層。
(2)PECVD 技術(shù)通常在較低的壓力下進行,可以提高沉積速率,增加膜厚均勻性。這是因為多數(shù)的 PECVD 在輝光放電中所用的壓力比較低,從而增強了反應(yīng)氣體與生成氣體產(chǎn)物穿過邊界層,在平流層和襯底表面之間的質(zhì)量輸運;同時由于反應(yīng)物中分子、原子等離子粒團與電子之間的碰撞、散射、電離等作用,膜層厚度的均勻性也得到改善,膜層針孔少,組織致密,內(nèi)應(yīng)力小,不易產(chǎn)生微裂紋。特別是低溫沉積利于獲得非晶態(tài)和微晶和不能獲得的物質(zhì)結(jié)構(gòu),在PECVD 系統(tǒng)中將可能發(fā)生。例如體積分?jǐn)?shù)為 1%的甲烷在H2中的混合物熱解時,在熱平衡的 CVD 中得到的是石墨薄膜,而在非平衡的等離子體化氣相沉積中可以得到金剛石薄膜。
(3)PECVD 技術(shù)可用于獲得性能獨特的薄膜。為維持 PECVD 系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要不薄膜。wic斷從外界輸人能量,也就是說,PECVD 系統(tǒng)實際上處于非平衡狀態(tài),即能量耗散狀態(tài)根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論,PECVD 的沉積產(chǎn)物將呈多樣性,一些按熱平衡理論不能發(fā)生的反應(yīng)。
(4)PECVD 技術(shù)可用于生長界面峭的多層結(jié)構(gòu)。在PECVD 的低溫沉積條件下,如果沒有等離子體,沉積反應(yīng)幾乎不會發(fā)生。而一旦有等離子體存在,沉積反應(yīng)就能以適當(dāng)?shù)乃俣冗M行。這樣一來,可以把等離子體作為沉積反應(yīng)的開關(guān),用于開始和停止沉積反應(yīng)。由于等離子體開關(guān)的反應(yīng)時間相當(dāng)于氣體分子的碰撞時間 (氣壓133Pa時為1ms)因此利用PECVD 技術(shù)可生長界面陡峭的多層結(jié)構(gòu)。
(5)擴大了化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用范圍,特別是提供了在不同的基片制備各種金屬膜非晶態(tài)無機物膜、有機聚合膜的可能性。