北京科技大学材料科学学院：《薄膜材料与纳米技术 Thin Film Materials & Nanotechnology》第六讲 薄膜材料制备的等离子体辅助CVD方法 Preparation of thin films by plasma enhanced CVD process

第六讲 薄膜材料制备的等离子体辅助CVD方法 Preparation of thin films by plasma enhanced CVD process

第六讲 薄膜材料制备的等离子体辅助CVD方法 Preparation of thin films by plasma enhanced CVD process

◆等离子体的一般性质 ◆等离子体辅助CVD的机理和特点 ◆等离子体辅助的CVD方法

提 要 ◆ 等离子体的一般性质 ◆ 等离子体辅助CVD的机理和特点 ◆ 等离子体辅助的CVD方法

等离子体和等离子体中的微观过程 放电击穿后,气体成为具有一定导电能力的等 离子体,它是一种由离子、电子及中性原子和原子 团组成,而宏观上对外呈现电中性的物质存在形式 等离子体中电子碰撞参与的主要微观过程 电子与气体分子的弹性碰撞 XY+e→XY+e (使气体分子的动能增加) 电子与气体分子的非弹性碰撞 ⅩY+e→ⅩY*+e 激发 XY+e→X+Y+e 分解 ⅩY+e→XY++2e 电离 (使气体分子的内能增加)

放电击穿后，气体成为具有一定导电能力的等 离子体，它是一种由离子、电子及中性原子和原子 团组成，而宏观上对外呈现电中性的物质存在形式 等离子体和等离子体中的微观过程 等离子体中电子碰撞参与的主要微观过程 电子与气体分子的弹性碰撞 电子与气体分子的非弹性碰撞 激发 分解 电离 XY+eXY+e （使气体分子的动能增加） XY+eXY*+e XY+eX+Y+e XY+e XY++2e （使气体分子的内能增加）

各种等离子体 高压弧 的电子温度与 任也孤 等离子体密度 热反程雄 群光也 1 火 电子乘 电离恳 PECVD使用的等离 私零 子体多为辉光放电 等离子体 梁际空间 行要空网少

各种等离子体 的电子温度与 等离子体密度 PECVD使用的等离 子体多为辉光放电 等离子体

等离子体的一般性质 典型的辉光放电等离子体中: 等离子体密度~1010cm3 ■等离子体中电子的温度Te~2eV=23000K 离子及中性原子处于低能态,如300~500K ■但,等离子体中存在着大量的活性基团 离子、激发态的分子和原子、自由基

◼ 等离子体密度  1010/cm3 ◼ 等离子体中电子的温度Te  2 eV = 23000K ◼ 离子及中性原子处于低能态，如 300500K ◼ 但，等离子体中存在着大量的活性基团： 离子、激发态的分子和原子、自由基 等离子体的一般性质 典型的辉光放电等离子体中：

等离子体的特性 等离子体类型 辉光放电 弧光放电 (非平衡等离子体) (局域平衡等离子体) 频率 DC DC 13.56 MHZ(RF 3.56 MHZ(RF) 245GHz(微波) 功率 0~100kW 1~ 20 MW 等离子体密度 109~1012/cm3 1014/cm3 压力 I Pa0.15 atm 2 kPa l atm 电子温度 ~104K ~104K 原子温度 500K 104K

等离子体的特性 等离子体类型 辉光放电 弧光放电 （非平衡等离子体） （局域平衡等离子体） 频率 DC 13.56 MHz (RF) 2.45GHz （微波） DC 13.56 MHz (RF) 功率 0 ～100 kW 1～20 MW 等离子体密度 109～1012 /cm3 ～1014 /cm3 压力 1Pa～0.15 atm 2 kPa～ 1 atm 电子温度 ～104K ～104K 原子温度 ～500K ～104K

等离子体辅助化学气相沉积( PECVD) 在CVD过程中,利用等离子体对沉积过程施加 影响的技术被称为等离子体辅助化学气相沉积 技术 ■从此意乂上讲,一般的CVD技术依赖于相对较 高的温度,因而可被称为热CVD技术 在 PECVD装置中,气体的压力多处于易于维 持大面积等离子体的5~500Pa的范围,放电类 型属辉光放电,等离子体密度约109~1012个 /cm3,而电子温度约1~10eV

等离子体辅助化学气相沉积（PECVD) ◼ 在CVD过程中，利用等离子体对沉积过程施加 影响的技术被称为等离子体辅助化学气相沉积 技术 ◼ 从此意义上讲，一般的CVD技术依赖于相对较 高的温度，因而可被称为热CVD技术 ◼ 在PECVD装置中，气体的压力多处于易于维 持大面积等离子体的5500Pa的范围，放电类 型属辉光放电，等离子体密度约1091012个 /cm3 ，而电子温度约110eV

PECVD的主要优点 ■ PECVD方法区别于普通CVD方法的特点在于 等离子体中含有大量高能量的电子,它们可间 接地提供CVD过程所需要的激活能 电子与气相分子的碰撞可促进气体分子的分解 化合、激发和电离,生成活性很高的各种化 学基团,显著降低CVD薄膜沉积的温度 而普通CVD过程的进行依赖于反应的速率 那时,热能是使过程得以进行的激活能的来源

PECVD 的主要优点 ◼ PECVD方法区别于普通CVD方法的特点在于 等离子体中含有大量高能量的电子，它们可间 接地提供CVD过程所需要的激活能 ◼ 电子与气相分子的碰撞可促进气体分子的分解 、化合、激发和电离，生成活性很高的各种化 学基团，显著降低CVD薄膜沉积的温度 ◼ 而普通CVD过程的进行依赖于反应的速率 那时，热能是使过程得以进行的激活能的来源 RT E k k e + − + + = 0

PECVD的主要优点 薄膜低温沉积的意乂包括 ◆避免薄膜与衬底间发生不必要的扩散与反应 ◆避免薄膜或衬底材料的结构变化与性能恶化 ◆避免薄膜与衬底中出现较大的热应力等

PECVD 的主要优点 薄膜低温沉积的意义包括： ◆避免薄膜与衬底间发生不必要的扩散与反应 ◆避免薄膜或衬底材料的结构变化与性能恶化 ◆避免薄膜与衬底中出现较大的热应力等

热CVD和等离子体辅助CVD的 典型沉积温度范围 沉积温度(°C) 薄膜 CVD PECVD 硅外延薄膜 1000~1250 750 多晶硅 650 200~400 SiN 4 900 300 SiO2 800~1100 300 IC 900~1100 500 TIN 900~1100 500 WC 1000 325~525 在 PECVD温度下,若采用热CVD,则也许根本没有任何反应发生

热CVD和等离子体辅助CVD的 典型沉积温度范围 薄膜 沉积温度(C) CVD PECVD 硅外延薄膜 1000～1250 750 多晶硅 650 200～400 Si3N4 900 300 SiO2 800～1100 300 TiC 900～1100 500 TiN 900～1100 500 WC 1000 325～525 在PECVD温度下，若采用热CVD，则也许根本没有任何反应发生