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半导体中的 PECVD 等离子体增强化学气相沉积系统

发布日期:2023-11-14 10:43:20浏览次数:209

等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 是一种低温真空薄膜沉积工艺,由于它能够在无法承受更传统 CVD 工艺温度的表面上施加涂层,因此在半导体行业具有非常重要的地位。

传统的 CVD 向要涂覆的基材或基材周围的区域加热以驱动化学反应。前体反应气体被引入沉积室,它们要么立即与待涂覆的表面反应,要么在沉积室中结合形成新的化合物,从而在基板表面上生长薄膜。

正是这种前驱气体驱动的化学反应定义了 CVD 工艺,该化学反应是从气体沉积到固态作为衬底表面上的薄膜。将此与物理气相沉积 (PVD) 工艺进行比较,后者由物理颗粒的溅射或蒸发驱动。

等离子体是一种气体,其中大部分原子或分子被电离,通常使用射频 (RF) 电流产生,但也可以通过高能电子激活的交流 (AC) 或直流 (DC) 放电来执行两个平行电极之间。

基于真空的工艺,PECVD 通常在 <0.1 Torr 的压力下进行,允许相对较低的基板温度,从室温到 350°C。通过利用等离子体为这些沉积反应的发生提供一些能量,而不是必须将基板加热到如此高的程度来驱动这些反应,PECVD 使基板能够在较低的温度下进行涂层,对薄膜界面的应力较小,这允许更强的粘合。

PECVD 也称为等离子辅助化学气相沉积 (PACVD)。

PECVD的优点是什么?

与传统 CVD 相比,PECVD 的主要优势在于较低的沉积温度、良好的一致性和在不平坦表面上的阶梯覆盖、对薄膜工艺的更严格控制和高沉积速率。

虽然标准 CVD 温度通常在 600°C 至 800°C 范围内进行,但 PECVD 温度范围为室温至 350°C,这使得在较高的 CVD 温度可能会损坏正在涂覆的器件或基板的情况下成功应用。通过在较低温度下运行,它在具有不同热膨胀/收缩系数的薄膜层之间产生的应力较小。这可以实现高效的电气性能并达到非常高的标准。

由于 CVD 是一种扩散气体驱动工艺,因此它可以更好地覆盖不平整的表面,例如具有较高一致性的沟槽或墙壁。或者,PVD 涂层是视线沉积,因此如果不规则性遮挡涂层区域,则可能导致薄膜深度的更多变化。在很大程度上,PECVD 减少了薄膜的高一致性问题,因为等离子流可以围绕基板。

通过改变等离子体的参数,可以实现对材料特性的出色控制,包括光学薄膜的密度和硬度、纯度、粗糙度或折射率。PECVD 产生一些最快的沉积速率,同时仍保持高薄膜质量。

PECVD 可以生产出仅靠普通 CVD 技术无法产生的独特化合物和薄膜,并生产出具有极高耐溶剂性和耐腐蚀性以及化学和热稳定性的薄膜。

什么是常见的 PECVD 应用?

蓝色六角立方体装饰图像

PECVD广泛用于半导体工业制造集成电路,在光伏、摩擦学、光学和生物医学领域有许多应用。

二氧化硅和氮化硅是电介质,这意味着它们对微电子工业中常用的化合物进行绝缘,以隔离多个导电层和电容器。它们还通常用于封装设备以保护它们免受外部污染物和湿气的影响。

PECVD是用于制造太阳能电池和光伏的关键沉积技术。它的多功能性使其能够均匀地应用于相对较宽的表面区域,如太阳能电池板或光学玻璃,通过改变等离子体可以非常精细地调整光学涂层的折射质量,从而实现极高程度的工艺控制。

其他常见的光学应用包括太阳镜、有色光学设备和光度计。

在大表面上生产均质有机和无机聚合物的能力使其广泛用于食品包装行业,用于薯片袋等用途。通过生产纯度极高的致密惰性涂层,PECVD 在医疗植入物方面具有许多生物医学应用。

类金刚石碳 (DLC) 也通过 PECVD 沉积用于许多摩擦学应用,其中耐磨性和低摩擦的润滑性是重要的考虑因素。

等离子体增强化学气相沉积是如何工作的?

蓝点装饰图像中的白光

对于典型的半导体应用,基板放置在两个平行电极之间的沉积室中——一个接地电极,通常是一个射频激励电极。基板在 250°- 350°C 的范围内被加热。

硅烷 (SiH 4 ) 和氨气 (NH 3 ) 等前体气体通常与氩气 (Ar) 或氮气 (N 2 ) 等惰性气体混合以控制工艺。这些气体通过基板上方的喷头固定装置引入腔室,有助于将气体更均匀地分布到基板上。

等离子体通过电极之间的放电 (100 – 300 eV) 被点燃,在基板周围形成一个发光的鞘层,有助于产生驱动化学反应的热能。

这些反应首先发生在等离子体中,因为前体气体分子与高能电子碰撞,然后通过气流到达基板,在那里它们发生反应并被吸收在基板表面上以生长薄膜。然后将化学副产品解吸并抽走,完成沉积过程。

更高的气体流速可以产生更高的沉积速率,这与操作温度一起控制厚度、硬度或折射率等特性。

什么是电容耦合和电感耦合等离子体?

蓝色正弦波装饰图像

PECVD 反应器被配置为电容耦合等离子体和电感耦合等离子体。

电容耦合等离子体是最简单和最常用的方法,它本质上是将两个平行的金属电极分开一小段距离。一个电极连接到射频电源,另一个接地。然后衬底产生偏置电位。这种结构的作用原理上类似于电路中的电容器,通过这种方法形成的等离子体称为电容耦合等离子体。

电感耦合等离子体 (ICP) 是一种等离子体源,其中能量由电磁感应产生的电流提供。这些时变磁场产生由变压器或线圈产生的电流。

什么是其他类型的 PECVD 等离子源?

对于大面积工业 PECVD 涂层系统,中频交流和脉冲直流用于在两个平行电极上或直接在基板本身上驱动等离子体。一个典型的应用是将 SiOx 沉积到用于腐蚀和疏水涂层的部件上,使用两个电极和高压中频交流放电来驱动 PECVD 工艺。对于 DLC 涂层,脉冲直流偏压通常应用于零件本身。这会在零件周围产生等离子体,导致 DLC 从乙炔或其他碳氢化合物气体中沉积。

PECVD设备有哪些类型?

直接 PECVD 工艺反应器示意图
远程 PECVD 工艺反应器示意图

使用电容耦合等离子体方法的反应器被称为直接 PECVD 反应器,因为等离子体是与附着在沉积室中的一个电极上的基板直接接触而产生的。这种方法的主要缺点是,当电极腐蚀时,来自电极的离子和污染物的直接轰击可能会损坏基板。

使用电感耦合等离子体源,在沉积室一侧产生等离子体被称为远程 PECVD 反应器。

电感耦合等离子体的主要优点是,由于电极位于反应室外部,等离子体放电相对没有污染物。这与电容耦合等离子体相比,其中电极位于沉积室内,因此暴露于等离子体和反应气体,这可能导致来自电极的污染物沉积在薄膜中。

高密度等离子增强化学气相沉积 (HDPECVD)发生在使用两个电源的沉积设备中。一种是电容耦合等离子体,用于与基板直接接触的偏置电源,而另一种是电感耦合等离子体,作为外部发生器的源电源。源功率驱动更有效的前体分解,从而允许更高的等离子体密度和反应速率。

 


PECVD涂层系统提供的沉积技术包括:

  • 等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)

  • 电感耦合等离子源 (ICP)

  • 高功率脉冲磁控溅射 (HIPIMS)

  • 反应磁控溅射

等离子源多年来一直用于蚀刻、离子辅助沉积和 PECVD。但是,大多数来源适用于一两个但不是所有上述过程。此外,传统资源的可扩展性由于其操作和物理构造的物理特性而受到限制。


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