等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在薄膜制备中的应用综述

等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD )在薄膜制备中的应用综述摘要：本文综述了目前利用等离子体技术加强化学气相沉积(CVD )制备薄膜原理、工艺设备的现状与发展。关键词：等离子体化学气相沉积； 薄膜；一、等离子体概论的基本概念、性质和产生物质存在的状态都对应一定数值的结合能。 通常将固体称为第一状态，当分子平均动能超过分子在结晶中的结合能时，结晶结构被破坏而变化为液体(第二状态)或者直接变化为气体(第三状态) . 第二态向第三态变化的气体在一定条件下受到高能量激发，电离，一部分外层电子脱离原子核，形成电子、正离子和中性粒子混合的集合体形态，形成物质第四态等离子体.除非绝对温度为零，否则任何气体都有少量的分子和原子电离，任何电离气体都不是等离子体。 严格地说，带电粒子的密度足够大，为了能够确立的空间电荷限制其自身的运动，带电粒子对系统的性质有显着的影响，即密度的电离气体能够转换成等离子体。 另外，等离子体的存在有空间和时间的界限，电离气体的空间尺度l的下限不满足等离子体存在的LlD (器件长度lD )的条件，或者电离气体存在的时间的下限不满足ttp (等)在离子体的振荡周期tp )的条件下，这种电离气体不能说是等离子体。组成上等离子体是带电粒子和中性粒子(原子、分子、微粒子等)的集合体，是一种导电性流体，等离子体的运动会受到电磁场的影响和支配。 其性质在宏观上呈准中性(quasineutrality )，即正和负的粒子数大致相等，系统宏呈中性，但在小尺度上呈现电磁性，其次，具有在等离子体中的带电粒子之间存在库仑力的集体效应。 在体内运动的粒子产生磁场，影响系统内的其他粒子。描述等离子体的参数包括粒子数密度n和温度t。 通常，等离子体内的电子密度、粒子密度、中性粒子密度用ne、ni、ng表示。 ne=ni时，两者中任一带电粒子的密度可以用n表示，简称等离子体密度。 但是，由于等离子体中一般含有价数不同的离子，也可能含有种类不同的中性粒子，因此电子密度和粒子密度不一定相等。 对于主要含有与一次电离同种类的中性粒子的等离子体，可以认为是ne ni，对此，将a=ne/(ne ng )定义为电离度。 在热力学平衡条件下，电离度仅依赖于粒子的种类、粒子密度及温度。 用Te、Ti、Tg表示等离子体的电子温度、离子温度、中性粒子温度，考虑到“热容量”，等离子体的宏观温度取决于重粒子的温度。 在热力学平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。 单一粒子平均动能KE与热平衡温度t的关系如下KE=123kTmv=22等离子体的分类根据存在分为天然和人工的等离子体。 根据电离度a，a0.1称为弱电离等离子体，a 0.1时，强电离等离子体a=1时，称为完全等离子体。 根据粒子密度，致密的等离子体n1015 18cm-3、n1012 14cm-3是稀薄的等离子体。 通过热力学平衡完全的热力学平衡等离子体，即高温等离子体； 也称为局部热力学等离子体、热等离子体的非热力学平衡等离子体，也称为低温等离子体。 低温等离子体中的电子具有足够高的能量，能够激发、解离、电离反应物分子，而且反应能通过电场通过电子供给，能够在低温下进行反应，使反应体系保持低温。 因此，非平衡对等离子体化学和工艺具有非常重要的意义，通常基于低温等离子体技术的设备投资少、节能，得到了非常广泛的应用。等离子体，特别是热等离子体，一般伴随着强光的发射，除了可见光以外，还会产生大量的紫外线和x射线。 辐射释放能量，导致等离子体能量的损失，热等离子体的辐射能量损失约占等离子体有效输出的30%，辐射释放的能量能够有效激活反应体系，对反应过程产生重要影响等离子体辐射是诊断等离子体状态的重要途径等离子体的产生方法有天然和人工。 人工燃烧和气体放电，放电电弧； 高频浪涌激光会聚等放电法。二、等离子体增强化学气相沉积技术1 .等离子体强化化学气相沉积原理化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD )是反应物在气态下发生化学反应，生成固体物质并堆积在加热后的固体基体表面，制造固体材料的工艺技术，常用于制造薄膜(例如多晶硅、非晶硅、氧化硅等)。 原理见下图与此相对，是物理气相沉积(Physical vapor deposition，PVD )。CVD主要有常压CVD (APCVD )、低压CVD(LPCVD )、超高真空CVD(UHCVD )和等离子体CVD(PECVD，plasionenhancedchemicalvapordeposition )法等。化学反应的本质是原子和原子团的再结合，为了促进再结合，必须提供反应所需的活化能，需要大活化能的反应在技术上难以实现。 但在等离子体中，物质由气体转化为等离子体状态，电子、离子、激发态原子、分子和自由基丰富，它们是极其活跃的反应性物种，许多困难的反应体系在等离子体条件下容易进行。 人们在化学合成、薄膜制造、表面处理和微细化学加工等领域，基于传统技术，高效地引入等离子体，促进一系列创新和巨大的技术进步。PECVD通过辉光放电等方法产生等离子体，含有由薄膜构成的气体状物质发生化学反应，实现薄膜材料生长的新制造技术。 通过反应气体放电，有效利用不平衡等离子体的反应特性，从根本上改变了反应体系的能量供给方式。 通常，在使用PECVD技术制作薄膜材料情况下，薄膜的生长首先具有在不平衡等离子体中电子与反应气体一次反应、反应气体分解而形成离子与活性基团的混合物这三个基本过程. 粒子堆积通常流过氢、氮等保护气体和反应气体。 许多沉积元素是金属或其他化合物。 激发准稳定粒子mA和金属b粒子是不同类型的粒子，a的激发电位比b的离子化电位大，碰撞后b从基态变化为离子的过程称为盘宁效应，表示为：mA B A B e(3.22 )其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输送，同时各反应物间发生二次反应，最后到达生长表面的各种一次反应和二次反应生成物被吸附与表面反应，同时伴随气相分子的再释放。 PECVD能够在外部电磁场的激发下使反应气体电离形成等离子体。 等离子体中的电子在外电场加速后，其动能通常为10eV左右，更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此通过高能电子与反应气体分子的非弹性碰撞，气体分子电离(离子化)或分解，产生中性原子和分子生成物。 正离子通过离子层的加速电场的加速与上部电极碰撞，在放置基板的下部电极附近也存在小的离子层电场，因此基板也受到一定程度的离子冲击。 分解产生的中性物质通过扩散到达管壁和基板。 这些粒子或基团在漂移或扩散过程中，由于平均自由程短，因此产生离子-成分子反应和基-分子反应等过程。 到达基板吸附的化学活性物(主要是基团)的化学性质活跃，通过它们之间的相互反应形成薄膜。2 .等离子体增强化学气相沉积的制备工艺其工艺设备结构图如下所示常用的平板静电电容式辉光放电试验装置的意见如下图所示下图是辉光放电的外观图低温热等离子化学气相沉积法具有气相法的所有优点，工艺流程简单。 与普通气相法的不同之处在于，热等离子体作为加热源，能够在远高于通常的电阻加热或化学燃烧火焰加热的温度下合成在低温下难以合成的材料，并且温度有可能变多材料的气化点、反应原料除了普通气相法采用的气体化合物和挥发性金属化合物外，还可采用固体大粒子材料和液体材料，扩大了气相法的适应范围，产物丰富。三、等离子化学气相沉积技术的发展尽管有很多优点，但还是不够。 一是经济成本，二是技术成熟度。 技术上，等离子体增强化学气相沉积无论是反应装置还是工艺都需要改善和完善。 例如，常见的直流等离子体在电极烧蚀中连续工作时间不长，但高频等离子体的热转换效果不强，工作状态不稳定，高温反应炉的封接和反应壁的损伤问题都是不能很好地解