等離子體增強化學氣相沉積PECVD在薄膜制備中的應用綜述精

1、等離子體增強化學氣相沉積技術（PECVD）在薄膜制備中的應用綜述摘要：本文綜述了現(xiàn)今利用等離子體技術增強化學氣相沉積（CVD）制備薄膜的原理、工藝設備現(xiàn)狀和發(fā)展。關鍵詞：等離子體；化學氣相沉積；薄膜；一、等離子體概論基本概念、性質和產生物質存在的狀態(tài)都是與一定數值的結合能相對應。通常把固態(tài)稱為第一態(tài)，當分子的平均動能超過分子在晶體中的結合能時，晶體結構就被破壞而轉化成液體(第二態(tài))或直接轉化為氣體(第三態(tài))；當液體中分子平均動能超過范德華力鍵結合能時，第二態(tài)就轉化為第三態(tài)；氣體在一定條件下受到高能激發(fā)，發(fā)生電離，部分外層電子脫離原子核，形成電子、正離子和中性粒子混合組成的一種集合體形態(tài)，從而形

2、成了物質第四態(tài)等離子體。只要絕對溫度不為零，任何氣體中總存在有少量的分子和原子電離，并非任何的電離氣體都是等離子體。嚴格地說，只有當帶電粒子密度足夠大，能夠達到其建立的空間電荷足以限制其自身運動時，帶電粒子才會對體系性質產生顯著的影響，換言之，這樣密度的電離氣體才能夠轉變成等離子體。此外，等離子體的存在還有空間和時間限度，如果電離氣體的空間尺度L下限不滿足等離子體存在的L>>lD（德拜長度lD）的條件，或者電離氣體的存在的時間下限不滿足t>>tp（等離子體的振蕩周期tp）條件，這樣的電離氣體都不能算作等離子體。在組成上等離子體是帶電粒子和中性粒子（原子、分子、微粒等）的

3、集合體，是一種導電流體，等離子體的運動會受到電磁場的影響和支配。其性質宏觀上呈現(xiàn)準中性（quasineutrality），即其正負粒子數目基本相當，系統(tǒng)宏觀呈中性，但是在小尺度上則體現(xiàn)電磁性；其次，具有集體效應，即等離子體中的帶電粒子之間存在庫侖力。體內運動的粒子產生磁場，會對系統(tǒng)內的其他粒子產生影響。描述等離子體的參量有粒子數密度n和溫度T 。 通常用ne、ni 和ng 來表示等離子體內的電子密度、粒子密度和中性粒子密度。當neni時，可用n來表示二者中任一帶電粒子的密度，簡稱等離子體密度。但等離子體中一般含有不同價態(tài)的離子，也可能含有不同種類的中性粒子，因此電子密度與粒子密度不一定總是相等

4、。對于主要是一階電離和含有同一類中性粒子的等離子體，可以認為ne ni ，對此，定義：a=ne/( ne + ng)為電離度。在熱力學平衡條件下，電離度僅取決于粒子種類、粒子密度及溫度。用Te、Ti和Tg來表示等離子體的電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度，考慮到“熱容”，等離子體的宏觀溫度取決于重粒子的溫度。在熱力學平衡態(tài)下，粒子能量服從麥克斯韋分布，單個粒子平均平動能KE與熱平衡溫度T關系為：KE=123kTmv= 22等離子體的分類按照存在分為天然和人工等離子體。按照電離度a分為：a<<0.1稱為弱電離等離子體，當a 0.1時，稱為為強電離等離子體；a1 時，則叫完全等離子體。按

5、照粒子密度劃分為致密等離子體n1015 18cm-3，若1012 14cm-3為稀薄等離子體。按照熱力學平衡劃分為完全熱力學平衡等離子體，即高溫等離子體；局部熱力學等離子體，也叫熱等離子體；非熱力學平衡等離子體，也叫低溫等離子體。低溫等離子體中的電子具有足夠高的能量，能夠使得反應物分子實現(xiàn)激發(fā)、離解和電離；再者，由于反應能量是由電場通過電子提供的，能夠在較低的溫度下進行反應，使得反應體系可以保持低溫。正因此，非平衡性對于等離子體化學與工藝具有十分重要的意義，通?；诘蜏氐入x子體技術的設備投資少、節(jié)省能源，因此獲得了非常廣泛的應用。等離子體特別是熱等離子體一般伴隨著強光發(fā)射，除可見光外，還會有大

6、量的紫外線和X射線。輻射會釋放能量，造成等離子體能量的損失，熱等離子體的輻射能量損失約占等離子體有效輸出功率的30%；輻射所釋放的能量可有效地激活反應體系或者對反應過程產生重要影響；等離子體輻射是診斷等離子體狀態(tài)的重要途徑，等離子體密度、溫度及化學物質在等離子體中的反應過程都可以因輻射而進行實時監(jiān)測。等離子體產生方法有天然和人工。人工有燃燒和氣體放電，放電包括：電??；高頻；激波; 激光；聚變等放電法。二、等離子體增強化學氣相沉積技術1、等離子體增強化學氣相沉積的原理化學氣相沉積（Chemical vapor deposition，CVD）是反應物質在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應，生成固態(tài)物質沉積在加

7、熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術，常用于制造薄膜（如多晶硅、非晶硅、氧化硅等）。原理見下圖：與之相對的是物理氣相沉積（Physical vapor deposition，PVD）。CVD主要有常壓CVD （APCVD）、低壓CVD（LPCVD）、超高真空CVD(UHCVD)，和等離子體增強CVD（PECVD，plasma enhanced chemical vapor deposition）法等?；瘜W反應的本質是原子或原子團的重新組合，為使重新組合得以進行，必須提供反應所需的活化能，一些需要較大活化能的反應在技術上很難實現(xiàn)。但是，在等離子體中，物質由氣態(tài)變?yōu)榈入x子態(tài)，富集了電子、離

8、子、激發(fā)態(tài)原子、分子及自由基，它們是極活潑的反應性物種，許多難以進行的反應體系在等離子體條件下變得易于進行。人們在化學合成、薄膜制備、表面處理和精細化學加工等領域，在原有工藝技術基礎上，有效地引入等離子體，促進一系列革新和巨大的技術進步。PECVD是借助于輝光放電等方法產生等離子體，使含有薄膜組成的氣態(tài)物質發(fā)生化學反應，從而實現(xiàn)薄膜材料生長的一種新的制備技術。通過反應氣體放電，有效地利用了非平衡等離子體的反應特征，從根本上改變了反應體系的能量供給方式。一般說來,采用 PECVD 技術制備薄膜材料時，薄膜的生長主要包含以下三個基本過程：首先，在非平衡等離子體中，電子與反應氣體發(fā)生初級反應，使得反

9、應氣體發(fā)生分解，形成離子和活性基團的混合物；其中在等離子氣相沉積中，潘寧效應起著非常重要的作用。粒子沉積中通常通入保護性氣體或反應氣體，如氫、氮等。多數沉積元素是金屬或其它化合物。受激亞穩(wěn)態(tài)粒子mA與金屬B粒子為不同類型的粒子，A的激發(fā)電位大于B的電離電位，碰撞后B由基態(tài)變?yōu)殡x子，這種過程叫潘寧效應，表示為:mA + B A+ B+ + e(3.22)其二，各種活性基團向薄膜生長表面和管壁擴散輸運，同時發(fā)生各反應物之間的次級反應；最后，到達生長表面的各種初級反應和次級反應產物被吸附并與表面發(fā)生反應，同時伴隨有氣相分子物的再放出。PECVD能夠使得反應氣體在外界電磁場的激勵下實現(xiàn)電離形成等離子體

10、。等離子體中電子經外電場加速后，其動能通?？蛇_ 10eV 左右，甚至更高，足以破壞反應氣體分子的化學鍵，因此，通過高能電子和反應氣體分子的非彈性碰撞，就會使氣體分子電離（離化）或者使其分解，產生中性原子和分子生成物。正離子受到離子層加速電場的加速與上電極碰撞，放置襯底的下電極附近也存在有一較小的離子層電場，所以襯底也受到某種程度的離子轟擊。因而分解產生的中性物質依靠擴散到達管壁和襯底。這些粒子和基團在漂移和擴散的過程中，由于平均自由程很短，所以都會發(fā)生離子分子反應和基團分子反應等過程。到達襯底并被吸附的化學活性物（主要是基團）的化學性質都很活潑，由它們之間的相互反應從而形成薄膜。2、等離子體增

11、強化學氣相沉積的制備工藝其工藝設備組成原理圖為：常用的平板電容式輝光放電試驗裝置示意見下圖：下圖為輝光放電外觀圖：低溫熱等離子體化學氣相沉積法具有氣相法的所有優(yōu)點，工藝流程簡單。與普通氣相法的區(qū)別在于，熱等離子體作為加熱源，溫度遠高于普通電阻加熱或化學燃燒火焰加熱，可以合成一些低溫下難以合成的材料，而且由于溫度可能高于許多材料的氣化點，反應原料除了采用普通氣相法所采用的氣態(tài)化合物或揮發(fā)性金屬化合物外，還可以采用固體大顆粒料及液體料，大大擴展了氣相法的適應范圍，產物也更加豐富。三、等離子體化學氣相沉積技術的發(fā)展盡管有許多優(yōu)點，但仍存在不足，一是經濟成本二是技術成熟度。在技術上，等離子體增強化學氣相沉積無論是反應裝置還是工藝都有待改進和完善。例如，常見的直流等離子體由于電極燒蝕會導致連續(xù)工作時間不長，而高頻等離子體則熱轉化效刻氏，工作狀態(tài)不十分穩(wěn)定，還有高溫反應爐的封接以及反應壁的結疤問題