Plazmové nanášanie rozkladom pár

PECVD zariadenie v technologickom inštitúte LAAS vo francúzskom Toulouse

PECVD v činnosti

Plazmové nanášanie rozkladom pár (angl. plasma-enhanced chemical vapor deposition, skratka PECVD) je proces slúžiaci k naneseniu tenkých filmov rôznych látok v pôvodne plynnom stave (pary) na substrát. Reakciou plynov sa vytvorí plazma, v ktorej prebiehajú ďalšie chemické reakcie. Plazma vzniká buď pôsobením striedavého napätia pri určitých frekvenciách alebo účinkom jednosmerného napätia medzi dvomi elektródami v priestore, ktorý vypĺňajú reagujúce plyny.

Výboje pre spracovanie

Plazma je plyn, v ktorom je ionizované významné percento atómov alebo molekúl. Frakčná ionizácia plazmy slúži na ukladanie príbuzných materiálov. Proces sa pohybuje okolo 10⁻⁴ v typických kapacitných výbojoch čo predstavuje 5-10% hustoty indukovanej plazmy. Spracovanie plazmy je zvyčajne vykonávané pri tlaku niekoľkých millitorrov na pár torrov, hoci oblúkový výboj a naidukovaná plazma sa dá zapáliť pri atmosférickom tlaku. Pre spracovanie materiálov je optimálna plazma s nízkou frakčnou ionizáciou, pretože elektróny sú ľahšie v porovnaní s atómami a molekulami. Výmena energie medzi elektrónmi a neutrálny plynom je veľmi neefektívna. Preto môžu byť zachované elektróny pri veľmi vysokých teplotách, čo zodpovedá niekoľkým elektrónvoltom priemernej energie-, kým neutrálne atómy zostávajú na teplote okolitého prostredia. Tieto energetické elektróny môžu vyvolať rad procesov, ktoré by inak boli neuskutočniteľné. Pri nízkych teplotách a javoch ako je disociácia vzniká veľké množstvo voľných radikálov. Druhá výhoda ukladania v rámci výboja vyplýva zo skutočnosti, že elektróny sú viac mobilné ako ióny. V dôsledku toho, že plazma je zvyčajne viac kladná ako iný objekt s ktorým je v kontakte vzniká veľký tok elektrónov z plazmy do objektu. Napätie medzi plazmou a objektmi s ktorými je v kontakte normálne klesá cez tenkú ochrannú vrstvu. Ionizované atómy alebo molekuly, ktoré difundujú k okraju ochrannej vrstvy ovplyvňujú elektrostatické sily a sú urýchľované smerom k susednej ploche. Všetky povrchy vystavené plazme sa dostávajú do energetického iónového bombardovania. Napätie na ochrannej vrstve obklopujúce elektricky-izolovaný objekt (plávajúce napätie) je typicky iba 10-20 V, ale omnoho vyššie ochranné vrstvy napätia sú dosiahnuteľné úpravami v geometrii reaktora a konfiguráciu.

Typy reaktorov

Obyčajný jednosmerný (DC) výboj môže byť jednoducho vytvorený na niekoľkých torroch medzi dvoma vodivými elektródami a takto vytvorený výboj sa môže použiť na nanášanie vodivých materiálov. Avšak hneď ako sú dielektrické filmy nanesené je tento výboj následne uhasený. Častejším spôsobom ako vybudiť kapacitný výboj je za použitia striedavého napätia (AC) alebo vysokofrekvenčného (RF) signálu medzi elektródou a vodivými stenami komory reaktora alebo medzi dvoma navzájom obloženými valcovými vodivými elektródami. Posledný menovaný spôsob je známy ako paralelný plochý reaktor. Frekvencie od niekoľkých desiatok Hz po GHz budú produkovať časovo-premenné plazmy, ktoré sú opakovane vybudené a zahasené. Frekvencie od desiatok kHz po desiatky MHz majú za následok mierne časovo-nezávislé výboje. Nízko-frekvenčné (LF) budiace frekvencie, zvyčajne okolo 100 kHz, vyžadujú niekoľko sto voltov na udržiavanie existencie výboja. Tieto vysoké hodnoty napätia vedú k energeticky vysokým ostreľovaniam iónov na povrchu. Vysokofrekvenčné plazmy sú často vybudené štandardne pri frekvencii 13,56 MHz, ktorá je všeobecne dostupná pre priemyselné použitie. Pri vysokých frekvenciách je posuvný prúd z puzdra uvedený do pohybu a rozptyľovaný z puzdra, čím prispieva k ionizácii a tým pádom je postačujúce nižšie napätie na dosiahnutie vyššej hustoty plazmy. Takto sa dá nastaviť chemické zloženie a ostreľovanie iónmi v uložení, zmenou frekvencie budenia alebo pomocou miešania nízko a vysoko-frekvenčných signálov v dvoj-frekvenčnom reaktore (dualfrequency reactor). Budenie výkonom od desiatok po stovky W je typické pre elektródu s priemerom od 200 do 300 mm.
Kapacitné plazmy sú obyčajne veľmi ľahko ionizované, čo má za následok obmedzený rozklad prekurzorov a nízku rýchlosť nanášania vrstiev. Omnoho hustejšia plazma môže byť vytvorená pomocou indukčných výbojov, ktoré sú budené v indukčnom kotúči s vysoko-frekvenčným signálom, ktorý indukuje elektrické pole v rámci výboja, urýchľuje elektróny v plazme a nielen elektróny na povrchu puzdra. Elektrónové cyklotrónové rezonančné reaktory môžu byť používané na vytvorenie vysokokapacitných výbojov. Budenia výkonmi 10 kW a viac sú častejšie používané v moderných reaktoroch.

Príklady filmov

Plazmové nanášanie je často používané pri výrobe polovodičov na nanášanie filmov na doštičky obsahujúce kovové vrstvy alebo na iné teplotne citlivé štruktúry. Kysličník kremičitý môže byť nanesený z dichlorsilánu alebo zo silánu (kremíkovodík, zlúčenina kremíka s vodíkom ) a kyslíka, typicky pri tlakoch od niekoľko sto militorr až po niekoľko torr. Plazmové nanášanie nitridu kremíka, vytvorený zo silánu a amoniaka alebo dusíka, je tiež široko používané. Plazmový nitrid vždy obsahuje veľké množstvo vodíka, ktorý môže byť spojený s kremíkom (SiH) alebo s dusíkom (SiNH). Tento vodík má dôležitý vplyv na UV pohltenie, stabilitu, mechanický tlak a elektrickú vodivosť. Kysličník kremičitý môže byť tiež nanášaný z tetraethoxysilanu (TEOS) v kyslíkovej alebo kyslíkovo-argónovej plazme. Tieto filmy môžu byť kontaminované s nezanedbateľným množstvom karbónu a vodíka ako silanol a môžu byť nestabilný na vzduchu. Tlaky od niekoľkých torrov a malé vzdialenosť medzi elektródami alebo nanášanie dvoma frekvenciami je užitočné na dosiahnutie vysokých rýchlostí nanášania vrstiev s dobrou stabilitou filmu. Veľkokapacitné plazmové nanášanie z kysličníka kremičitého zo silánu a z kyslíka/argóna môže byť široko používané na vytváranie takmer bez vodíkového filmu s dobrou prispôsobivosťou ponad komplexný povrch, čo vyplýva z intenzívneho ostreľovania iónmi a nasledujúcim rozprašovaním usadených molekúl z vertikálnej na vodorovný povrch.

Zdroj

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Plasma-enhanced chemical vapor deposition na anglickej Wikipédii.