Die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung ( PECVD ) ist ein chemischer Gasphasenabscheidungsprozess mit dem dünne Filme von einem Gaszustand (Dampf) in einen festen Zustand auf einem Substrat abgeschieden werden. An dem Prozess sind chemische Reaktionen beteiligt, die nach der Erzeugung eines Plasmas der reagierenden Gase auftreten. Das Plasma wird im Allgemeinen durch Hochfrequenz (HF) (Wechselstrom (AC)) oder Gleichstrom (DC) zwischen zwei Elektroden erzeugt, deren Raum mit den reagierenden Gasen gefüllt ist.

Entladungen für Prozesse

Ein Plasma ist jedes Gas, in dem ein erheblicher Prozentsatz der Atome oder Moleküle ionisiert ist. Die fraktionierte Ionisation in Plasmen, die für die Abscheidung und die Verarbeitung verwandter Materialien verwendet werden, variiert von etwa 10 bis 4 bei typischen kapazitiven Entladungen bis zu 5 bis 10% bei induktiven Plasmen mit hoher Dichte.
Verarbeitungsplasmen werden typischerweise bei Drücken von einigen Millitorr bis einigen torr betrieben, obwohl Lichtbogenentladungen und induktive Plasmen bei atmosphärischem Druck entzündet werden können. Plasmen mit geringer fraktionierter Ionisation sind für die Materialverarbeitung von großem Interesse, da Elektronen im Vergleich zu Atomen und Molekülen so leicht sind, dass der Energieaustausch zwischen den Elektronen und dem neutralen Gas sehr ineffizient ist.
Daher können die Elektronen bei sehr hohen äquivalenten Temperaturen gehalten werden – Zehntausende von Kelvin, was einer durchschnittlichen Energie von mehreren Elektronenvolt entspricht -, während die neutralen Atome auf der Umgebungstemperatur bleiben. Diese energetischen Elektronen können viele Prozesse induzieren, die bei niedrigen Temperaturen ansonsten sehr unwahrscheinlich wären, wie die Dissoziation von Vorläufermolekülen und die Bildung großer Mengen freier Radikale.
Ein zweiter Vorteil der Abscheidung innerhalb einer Entladung ergibt sich aus der Tatsache, dass Elektronen beweglicher sind als Ionen. Infolgedessen ist das Plasma normalerweise positiver als jedes Objekt, mit dem es in Kontakt steht, da sonst ein großer Elektronenfluss vom Plasma zum Objekt fließen würde. Der Spannungsunterschied zwischen dem Plasma und den Objekten in seinen Kontakten tritt normalerweise über einen dünnen Mantelbereich auf.
Ionisierte Atome oder Moleküle, die zum Rand des Mantelbereichs diffundieren, spüren eine elektrostatische Kraft und werden zur benachbarten Oberfläche hin beschleunigt. Somit erhalten alle Oberflächen, die dem Plasma ausgesetzt sind, einen energetischen Ionenbeschuss. Das Potential über der Hülle, das ein elektrisch isoliertes Objekt umgibt (das schwebende Potential), beträgt typischerweise nur 10–20 V, Durch Anpassungen der Reaktorgeometrie und -konfiguration sind jedoch viel höhere Mantelpotentiale erreichbar.
Somit können Filme während der Abscheidung einem energetischen Ionenbeschuss ausgesetzt werden. Dieser Beschuss kann zu einer Erhöhung der Dichte des Films führen und dazu beitragen, Verunreinigungen zu entfernen, wodurch die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Films verbessert werden. Wenn ein Plasma mit hoher Dichte verwendet wird, kann die Ionendichte hoch genug sein, um signifikant zu sein Sputtern des abgeschiedenen Films tritt auf; Dieses Sputtern kann verwendet werden, um den Film zu planarisieren und Gräben oder Löcher zu füllen.

Reaktortypen

Eine einfache Gleichstromentladung kann leicht bei wenigen Torr zwischen zwei leitenden Elektroden erzeugt werden und kann zur Abscheidung von leitenden Materialien geeignet sein. Isolierfilme löschen diese Entladung jedoch schnell, wenn sie abgeschieden werden.
Es ist üblicher, eine kapazitive Entladung durch Anlegen eines Wechselstrom- oder HF-Signals zwischen einer Elektrode und den leitenden Wänden einer Reaktorkammer oder zwischen zwei einander zugewandten zylindrischen leitenden Elektroden anzuregen.
Die letztere Konfiguration ist als Parallelplattenreaktor bekannt. Frequenzen von einigen zehn Hz bis einigen tausend Hz erzeugen zeitlich veränderliche Plasmen, die wiederholt ausgelöst und gelöscht werden. Frequenzen von zehn Kilohertz bis zehn Megahertz führen zu einigermaßen zeitunabhängigen Entladungen.
Anregungsfrequenzen im Niederfrequenzbereich (LF), normalerweise um 100 kHz, erfordern mehrere hundert Volt, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Diese hohen Spannungen führen zu einem energiereichen Ionenbeschuss von Oberflächen. Hochfrequenzplasmen werden häufig bei Standard 13.56 MHz angeregtFrequenz für industrielle Zwecke weit verbreitet.
Bei hohen Frequenzen unterstützen der Verschiebungsstrom aus der Mantelbewegung und die Streuung von der Hülle die Ionisierung, und daher reichen niedrigere Spannungen aus, um höhere Plasmadichten zu erreichen.
Somit kann man die Chemie und den Ionenbeschuss bei der Abscheidung einstellen, indem man die Anregungsfrequenz ändert oder indem man eine Mischung aus Nieder- und Hochfrequenzsignalen in einem Zweifrequenzreaktor verwendet. Eine Anregungsleistung von zehn bis hundert Watt ist typisch für eine Elektrode mit einem Durchmesser von 200 bis 300 mm.
Kapazitive Plasmen sind normalerweise sehr leicht ionisiert, was zu einer begrenzten Dissoziation von Vorläufern und niedrigen Abscheidungsraten führt. Mit induktiven Entladungen können viel dichtere Plasmen erzeugt werden, bei denen eine mit einem Hochfrequenzsignal angeregte Induktionsspule ein elektrisches Feld innerhalb der Entladung induziert und Elektronen im Plasma selbst und nicht nur an der Mantelkante beschleunigt.
Elektronenzyklotronresonanzreaktoren und Helikonwellenantennen wurden ebenfalls verwendet, um Entladungen mit hoher Dichte zu erzeugen. In modernen Reaktoren werden häufig Anregungsleistungen von 10 kW oder mehr verwendet.
Plasmen mit hoher Dichte können auch durch Gleichstromentladung in einer elektronenreichen Umgebung erzeugt werden, die durch thermionische Emission von erhitzten Filamenten erhalten wird. Die für die Lichtbogenentladung erforderlichen Spannungen liegen in der Größenordnung von einigen zehn Volt, was zu Ionen mit niedriger Energie führt. Das Plasma mit hoher Dichte und niedriger Energie wird für die epitaktische Abscheidung mit hohen Raten in Reaktoren mit niedriger Energie und Plasma-verstärkter chemischer Gasphasenabscheidung genutzt.

Ursprünge

Swann arbeitete in den Standard Telecommunication Laboratories (STL) in Harlow, Essex, und entdeckte, dass die HF-Entladung die Ablagerung von Siliziumverbindungen auf der Quarzglasgefäßwand fördert. Auf mehrere interne STL-Veröffentlichungen folgten 1964 französische, britische und US-amerikanische Patentanmeldungen. Ein Artikel wurde im August 1965 im Band Solid State Electronics veröffentlicht.

Swann kümmerte sich in den 1960er Jahren im Labor von STL Harlow, Essex, um seinen ursprünglichen Prototyp einer Glimmentladungsausrüstung. Es stellte einen Durchbruch bei der Abscheidung dünner Filme aus amorphem Silizium, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid bei Temperaturen dar, die signifikant niedriger waren als die durch pyrolytische Chemie abgeschiedenen.

Filmbeispiele & Anwendungen – pecvd

Plasmaabscheidung wird häufig bei der Halbleiterherstellung verwendet, um Filme konform (Seitenwände bedeckend) und auf Wafern abzuscheiden, die Metallschichten oder andere temperaturempfindliche Strukturen enthalten. PECVD liefert auch einige der schnellsten Abscheidungsraten unter Beibehaltung der Filmqualität (wie Rauheit, Defekte / Hohlräume) im Vergleich zur Sputterabscheidung und Wärme- / Elektronenstrahlverdampfung, häufig auf Kosten der Gleichmäßigkeit.
Siliziumdioxid kann unter Verwendung einer Kombination von Siliziumvorläufergasen wie Dichlorsilan oder Silan und Sauerstoffvorläufern wie Sauerstoff und Lachgas abgeschieden werden, typischerweise bei Drücken von einigen Millitorr bis einigen Torr.
Plasma-abgeschiedenes Siliziumnitrid, dass aus Silan und Ammoniak oder Stickstoff gebildet wird, ist ebenfalls weit verbreitet, obwohl es wichtig ist zu beachten, dass es nicht möglich ist, ein reines Nitrid auf diese Weise abzuscheiden. Plasmanitride enthalten immer eine große Menge Wasserstoff, der an Silizium (Si-H) oder Stickstoff (Si-NH) gebunden werden kann.
Dieser Wasserstoff hat einen wichtigen Einfluss auf die IR- und UV-Absorption, Stabilität, mechanische Beanspruchung und elektrische Leitfähigkeit. Dies wird häufig als Oberflächen- und Volumenpassivierungsschicht für kommerzielle multikristalline Silizium-Photovoltaikzellen verwendet.
Siliziumdioxid kann auch aus einem Tetraethoxysilan (TEOS) – Siliciumvorläufer in einem Sauerstoff- oder Sauerstoff-Argon-Plasma abgeschieden werden . Diese Filme können mit erheblichem Kohlenstoff und Wasserstoff als Silanol verunreinigt sein und an der Luft instabil sein. ^{[Zitat notwendig]}. Drücke von wenigen Torr und kleinen Elektrodenabständen und / oder Zweifrequenzabscheidung sind hilfreich, um hohe Abscheidungsraten bei guter Filmstabilität zu erzielen.
Die Plasmaabscheidung von Siliziumdioxid mit hoher Dichte aus Silan und Sauerstoff / Argon wurde häufig verwendet, um einen nahezu wasserstofffreien Film mit guter Konformität über komplexen Oberflächen zu erzeugen, wobei letzterer aus einem intensiven Ionenbeschuss und dem daraus resultierenden Sputtern der abgeschiedenen Moleküle von vertikal auf resultiert horizontale Flächen ^{[Zitat notwendig]}.