Химическое осаждение из газовой фазы, стимулированное плазмой (PE CVD)

Химическое осаждение из газовой фазы, стимулированное плазмой (англ. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PE CVD) – хорошо развитая технология для создания тонкопленочных покрытий различного типа. Основным достоинством этого метода является то, что, по сравнению с другими CVD-технологиями, температура процесса может быть существенно снижена, что позволяет наносить покрытия даже на подложки из полимерных материалов. В то же время обеспечивается относительно высокая скорость роста пленки.

Метод часто применяется в микроэлектронике, когда нужно нанести конформное покрытие на поверхности сложной геометрии или на слои, чувствительные к температуре. Среди прочих применений – создание алмазоподобных покрытий, покрытия для фотоники и полупроводниковых лазеров, получение пленок кремния в различных состояниях (аморфный, поликремний), создание двухмерных материалов наподобие графена, пассивация и др.

Оглавление

• Физические основы процесса
• Ключевые аспекты технологии
• Виды плазменных разрядов, применяемых для PE CVD
• Конформность пленок

Физические основы процесса

Как и в других технологиях CVD, покрытие получается за счет химической реакции газов-прекурсоров (иногда прекурсор представляет собой частички жидкости, перемещаемые газом-носителем) на поверхности подложки. Однако в этом процессе используется плазменный разряд, позволяющий разлагать вступающие в реакцию газы на активные радикалы и образовывать ионы.

В классической конфигурации емкостно-связанная плазма создается между двумя параллельными электродами, к одному из которых крепится подложка с возможностью нагрева (обычно до 400-500℃, но в некоторых процессах могут использоваться и большие значения). Ко второму прикладывается высокочастотное напряжение, а также через него подаются реакционные газы.

Образованные в разряде свободные радикалы легко адсорбируются на поверхности подложки, диффундируют по этой поверхности, при этом перегруппируются и взаимодействуют с другими частицами, образуя требуемую пленку. В результате удается сформировать покрытие без существенного нагрева подложки.

Ключевые аспекты технологии

• Распределение электронов по энергиям в плазменном разряде не симметричное, частиц с низкой энергией, приводящих к образованию радикалов, больше, чем частиц с высокой энергией, образующих ионы. Соответственно, радикалов на подложку попадает больше, чем ионов.
• Важным процессом является десорбция побочных продуктов реакции с поверхности пленки и их удаление. При повышении температуры подложки скорость десорбции возрастает, что позволяет получить покрытия с большей плотностью и более однородным составом.
• Поверхность подложки подвергается воздействию электронного и ионного потоков из плазмы. Этот процесс также помогает получать более плотные пленки и эффективнее удалять побочные продукты реакции. Кроме того, при использовании плотной плазмы бомбардировка ионами может приводить к частичному распылению образовавшейся пленки, что помогает устранить микронеровности растущего покрытия. Однако, если энергия ионов слишком велика, на поверхности появляются дефекты.
• В зависимости от техпроцесса, плазменный разряд может быть создан как в инертной среде, куда напускаются реактивные газы-прекурсоры, так и непосредственно в среде этих реактивных газов.
• При неправильной подборке параметров разряда или при использовании газов с примесями возможна ситуация, когда центры кристаллизации пленки будут расположены не только на подложке, но и в газовой фазе над ней. Это приводит к тому, что на поверхность осаждаемой пленки попадает осадок в виде порошка, что негативно сказывается на качестве покрытия.
• Давление в рабочей камере зависит от типа разряда и от техпроцесса и обычно составляет от 10⁻³ Торр до нескольких Торр.
• Важно правильно сконструировать распределитель поступающих газов-прекурсоров, так как это влияет на однородность осаждаемой пленки.
• Внутренние напряжения образующихся пленок в системах с емкостно-связанной плазмой зависят от частоты плазменного разряда. Это объясняется тем, что чем выше частота, тем меньше нужно прикладывать напряжение для поддержания плазмы, и, соответственно, тем менее интенсивно происходит бомбардировка поверхности ионами.
• Малая по сравнению с другими CVD-методами температура подложки обуславливает малую подвижность частиц на поверхности во время формирования покрытия, что влияет на стехиометрию получаемых пленок.
• Источники ионов или электронов могут выступать дополнительными поставщиками заряженных частиц в область разряда. Это дает дополнительный контроль свойств плазмы, что влияет на скорость роста, плотность и другие свойства осаждаемых пленок.

Виды плазменных разрядов, применяемых для PE CVD

Конфигурации с емкостно-связанной плазмой можно разделить по частоте разряда.

Плазмохимическое осаждение из газовой фазы в плазме тлеющего разряда (DC PECVD)

Используется постоянное напряжение на электродах. Это самая простая схема. При некоторых техпроцессах, например, при формировании нанообъектов, описана возможность работы при высоких давлениях, в плоть до атмосферного. Однако проблемой является то, что при своем росте диэлектрические пленки вносят изменения в электрическую схему разряда, что приводит к нестабильности. Так же недостатком является медленная скорость роста пленки на больших поверхностях.

Плазмохимическое осаждение из газовой фазы с использованием высокочастотной плазмы (RF PECVD)

Часто при этом подходе используется частота 13.56 МГц. В некоторых системах применяют две частоты поочередно, чтобы контролировать внутренние напряжения в осаждаемой пленке. Этим методом можно наносить покрытия, параметры которых плавно меняются с толщиной, или покрытия, состоящие из нанослоев с разными свойствами.

Плазмохимическое осаждение из газовой фазы с использованием микроволновой плазмы (MW PECVD)

В этой конфигурации разряд поддерживается при помощи микроволнового излучения частотой несколько ГГц. Сгенерированная таким образом плазма обладает высокой плотностью, что увеличивает скорость осаждения пленки.

Конформность пленок

При формировании покрытия на поверхности со сложной геометрией, например ступенчатой, во многих случаях важно, чтобы пленка воспроизводила рельеф поверхности, то есть была конформной. Основными параметрами, влияющими на это свойство, являются: сложность рельефа, величина пробега свободных радикалов по поверхности подложки до реакции и длина свободного пробега в газовой среде до момента адсорбции.

Случай, когда толщина покрытия не зависит от рельефа, то есть покрытие конформное, происходит тогда, когда величина пробега адсорбата по поверхности превышает геометрические размеры неровностей. Происходит свободное перемещение компонентов по поверхности, поверхностная концентрация однородна, и, как следствие, формируется однородная пленка вне зависимости от геометрии подложки.

В случае, когда миграция по поверхности не значительна, формирование пленки будет зависеть от длины свободного пробега и от досягаемости участков подложки. В ситуации, когда длина свободного пробега намного больше размеров неровности, конформность существенно нарушается.

Ситуация усугубляется в том случае, если длина свободного пробега меньше размеров неровности.

От лаборатории до производства — полный спектр решений от «АкадемВак»

Компания «АкадемВак» расположена в сердце Сибири, в Новосибирском Академгородке. Мы разрабатываем, производим и поставляем современные установки травления и осаждения, которые подходят для решения широкого круга задач - от научных исследований до серийного производства.

Широкий модельный ряд и разнообразная компоновка позволяют подобрать решение, максимально адаптированное под задачу клиента.

• Установки реактивного ионного травления AcademVac—RIE для проведения процессов плазмохимического травления в плазме емкостного разряда.
• Установки низкотемпературного плазмохимического осаждения с индуктивно-связанной плазмой AcademVac-ICPCVD для проведения процесса осаждения из газовой фазы, стимулированного индуктивно связанной плазмой (ICP CVD).
• Установки плазмохимического осаждения с ёмкостно-связанной плазмой AcademVac-PECVD для проведения процессов химического осаждения из газовой фазы, стимулированного ёмкостно-связанной плазмой (PE CVD CCP).

Помимо установок травления и осаждения, компания "«АкадемВак» разрабатывает и производит установки вакуумного напыления, термовакуумных испытаний (ТВИ), вакуумные печи, а также узлы и комплектующие: вакуумные камеры, криогенные экраны, технологические источники, системы питания и управления.

Специалисты компании готовы оказать экспертную помощь в выборе оптимального технологического решения под ваши задачи. Напишите нам о Вашей задаче или ознакомьтесь с нашим каталогом.