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今天必威betwei小編來給大家介紹一下等離子體(ti) 增強化學氣相沉積(PECVD)設備的技術基礎。

1、等離子體(ti) 增強化學氣相沉積的主要過程

等離子體(ti) 增強化學氣相沉積（PECVD）技術是借助於(yu) 輝光放電等離子體(ti) 使含有薄膜組成的氣態物質發生化學反應，從(cong) 而實現薄膜材料生長的一種新的製備技術。由於(yu) PECVD技術是通過應氣體(ti) 放電來製備薄膜的，有效地利用了非平衡等離子體(ti) 的反應特征，從(cong) 根本上改變了反應體(ti) 係的能量供給方式。一般說來,采用PECVD技術製備薄膜材料時，薄膜的生長主要包含以下三個(ge) 基本過程：

首先，在非平衡等離子體(ti) 中，電子與(yu) 反應氣體(ti) 發生初級反應，使得反應氣體(ti) 發生分解，形成離子和活性基團的混合物；

其二，各種活性基團向薄膜生長表麵和管壁擴散輸運，同時發生各反應物之間的次級反應；

到達生長表麵的各種初級反應和次級反應產(chan) 物被吸附並與(yu) 表麵發生反應，同時伴隨有氣相分子物的再放出。

具體(ti) 說來，基於(yu) 輝光放電方法的PECVD技術，能夠使得反應氣體(ti) 在外界電磁場的激勵下實現電離形成等離子體(ti) 。在輝光放電的等離子體(ti) 中，電子經外電場加速後，其動能通常可達10eV左右，甚至更高，足以破壞反應氣體(ti) 分子的化學鍵，因此，通過高能電子和反應氣體(ti) 分子的非彈性碰撞，就會(hui) 使氣體(ti) 分子電離（離化）或者使其分解，產(chan) 生中性原子和分子生成物。正離子受到離子層加速電場的加速與(yu) 上電極碰撞，放置襯底的下電極附近也存在有一較小的離子層電場，所以襯底也受到某種程度的離子轟擊。因而分解產(chan) 生的中性物依擴散到達管壁和襯底。這些粒子和基團（這裏把化學上是活性的中性原子和分子物都稱之為(wei) 基團）在漂移和擴散的過程中，由於(yu) 平均自由程很短，所以都會(hui) 發生離子-分子反應和基團-分子反應等過程。到達襯底並被吸附的化學活性物（主要是基團）的化學性質都很活潑，由它們(men) 之間的相互反應從(cong) 而形成薄膜。

2、等離子體(ti) 內(nei) 的化學反應

由於(yu) 輝光放電過程中對反應氣體(ti) 的激勵主要是電子碰撞，因此等離子體(ti) 內(nei) 的基元反應多種多樣的，而且等離子體(ti) 與(yu) 固體(ti) 表麵的相互作用也非常複雜，這些都給PECVD技術製膜過程的機理研究增加了難度。迄今為(wei) 止，許多重要的反應體(ti) 係都是通過實驗使工藝參數優(you) 化，從(cong) 而獲得具有理想特性的薄膜。對基於(yu) PECVD技術的矽基薄膜的沉積而言，如果能夠深刻揭示其沉積機理，便可以在保證材料優(you) 良物性的前提下，大幅度提高矽基薄膜材料的沉積速率。

目前，在矽基薄膜的研究中，人們(men) 之所以普遍采用氫稀釋矽烷（SiH4）作為(wei) 反應氣體(ti) ，是因為(wei) 這樣生成的矽基薄膜材料中含有一定量的氫，H 在矽基薄膜中起著十分重要的作用，它能填補材料結構中的懸鍵，大大降低了缺陷能級，容易實現材料的價(jia) 電子控製，自從(cong) 1975 年Spear 等人首先實現矽薄膜的摻雜效應並製備出第一個(ge) pn 結以來，基於(yu) PECVD 技術的矽基薄膜製備與(yu) 應用研究得到了突飛猛進的發展，因此，下麵將對矽基薄膜PECVD 技術沉積過程中矽烷等離子體(ti) 內(nei) 的化學反應進行描述與(yu) 討論。

在輝光放電條件下，由於(yu) 矽烷等離子體(ti) 中的電子具有幾個(ge) ev 以上的能量，因此H2和SiH4受電子的碰撞會(hui) 發生分解，此類反應屬於(yu) 初級反應。若不考慮分解時的中間激發態，可以得到如下一些生成SiHm（m=0,1,2,3）與(yu) 原子H 的離解反應：

e+SiH4→SiH2+H2+e (2.1)

e+SiH4→SiH3+ H+e (2.2)

e+SiH4→Si+2H2+e (2.3)

e+SiH4→SiH+H2+H+e (2.4)

e+H2→2H+e (2.5)

按照基態分子的標準生產(chan) 熱計算，上述各離解過程(2.1)~(2.5)所需的能量依次為(wei) 2.1、4.1、4.4、5.9 eV 和4.5eV。等離子體(ti) 內(nei) 的高能量電子還能夠發生如下的電離反應：

e+SiH4→SiH2++H2+2e (2.6)

e+SiH4→SiH3++ H+2e (2.7)

e+SiH4→Si++2H2+2e (2.8)

e+SiH4→SiH++H2+H+2e (2.9)

以上各電離反應(2.6)~(2.9)需要的能量分別為(wei) 11.9，12.3，13.6和15.3eV，由於(yu) 反應能量的差異，因此(2.1)~(2.9)各反應發生的幾率是極不均勻的。此外，隨反應過程(2.1)~(2.5)生成的SiHm也會(hui) 發生下列的次級反應而電離，例如

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

上述反應如果借助於(yu) 單電子過程進行，大約需要12eV 以上的能量。鑒於(yu) 通常製備矽基薄膜的氣壓條件下（10～100Pa）,電子密度約為(wei) 1010cm-3的弱電離等離子體(ti) 中10eV 以上的高能電子數目較少,累積電離的幾率一般也比激發幾率小，因此矽烷等離子體(ti) 中，上述離化物的比例很小，SiHm 的中性基團占支配地位，質譜分析的結果也證明了這一結論[8]。Bourquard 等人的實驗結果進一步指出，SiHm 的濃度按照SiH3，SiH2，Si，SiH 的順序遞減，但SiH3的濃度是SiH 的3 倍。而Robertson 等人則報道，在SiHm的中性產(chan) 物中，采用純矽烷進行大功率放電時以Si為(wei) 主，進行小功率放電時以SiH3為(wei) 主，按濃度由高到低的順序為(wei) SiH3，SiH，Si，SiH2。因此，等離子體(ti) 工藝參數強烈影響SiHm中性產(chan) 物的組分。

除上述的離解反應和電離反應之外，離子分子之間的次級反應也很重要：

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

因此，就離子濃度而言，SiH3+比SiH2+多。它可以說明在通常的SiH4 等離子體(ti) 中SiH3+離子比SiH2+離子多的原因。

此外，還會(hui) 發生由等離子體(ti) 中氫原子奪取SiH4中氫的分子-原子碰撞反應：

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

這是一個(ge) 放熱反應，也是形成乙矽烷Si2H6的前驅反。當然上述基團不僅(jin) 僅(jin) 處於(yu) 基態，在等離子體(ti) 中還會(hui) 被激勵到激發態。對矽烷等離子體(ti) 的發射光譜研究的結果表明，存在有Si,SiH,H 等的光學允許躍遷激發態,也存在SiH2,SiH3的振動激發態。

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