2020-02-10-2小刘科研笔记之PECVD等离子体增强化学气相沉积

 一、什么是PECVD

PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD）。

二、PECVD技术的原理

物质普遍存在的形态与一定数量级的结合能基本上是一一对应的。我们一般会把固态称之为物质的第一态，当分子中的动能超过其在晶体中的结合能时，晶体的固有结构就会被破坏，进而转化为液体（物质的第二态）；当在第二态下的分子动能超过范德华力键结合能时，液态会转化为气态（物质的第三态）；其中气体在特殊条件下受到高能激发，产生了电离，导致气体中的部分外层电子脱离了原子核，变成由电子、正离子以及中性粒子组成的一种混合集合体形态，该形态我们称为物质的第四态——等离子体。

PECVD（等离子体增强化学气相沉积技术），是通过外部增加的电场作用于系统内所参与反应的气体，使气体电离进而产生辉光放电的效应，通过较高能量的等离子体来激活其化学反应，实现对应薄膜的沉积。具体原理详见下图：

图片转载自华慧高芯公众号

上文提到等离子体是电子、正离子和中性粒子组成的一种混合集合体形态，这些粒子之间会不断地进行碰撞，在碰撞中就会发生能量的相互交换，由于离子的质量要远大于电子质量，导致这种相互碰撞的能量交换方式进行的很缓慢，因此从宏观上看，离子体的内部粒子集合形态表现为一种热力学趋于平衡的状态。但是从微观上来看，离子体的内部粒子集合形态仍然处于被激发的高能状态，内部的高能量的电子与处于该场中的气体分子发生碰撞，产生的能量足以使分子键断裂，进而生成新的物质。从整体上看，由于系统内部反应气体在反应腔体内电激活为离子体，此过程会伴随产生热量，避免了外部的为反应提供较多的热量，使其在较低温度甚至常温下可以在基板上形成薄膜。

上文中提到PECVD反应过程中，各种粒子之间一直在产生碰撞，特别是在与高能量的电子的碰撞，高能量的电子会将气体分子电离，形成大量气体电离后的离子和很多较高自由能的活性基团；这些较高自由能的活性基团与周围其他的活性基团、未形成活性基团的气体分子或者其基团本身相互间进行复杂的反应，向沉积需要的活性基团方向发展；沉积需要的活性基团以及还没有经过活化的气体分子扩散到基板的表面，在整个反应结束之后，这些气体将会被直接排出腔体；在衬底上，由于活化作用而产生的活性化学基团之间会发生相互作用，反应的产物最终会沉积于基板上。

三、PECVD技术的优点

1.反应所需温度较低，偏于不必处于较高的温度氛围下，成膜与基片间的应力问题得到了相对地改善。

2.PEDCVD工作气压相对较低，反应物中的自由程较短，能够更较精确的去控制成膜的厚度提高成膜的均匀性。

3.应用范围广，可在不同基底上生长晶态或者非晶态的薄膜。

华慧高芯设备PlasmaPro 100 PECVD  

四、目前PCVD设备调试的基本状况

根据生成的不同薄膜选择合适的反应气体参与反应，目前设备的适用范围：主要用于沉积SiOX，SiNX，SiONX相关反应式如下：

图片转载自华慧高芯公众号

通过控制气体的反应时间来控制成膜的厚度，不同类型、不同厚度的薄膜在自然光照射下呈现出不同的颜色。部分成膜厚度与颜色的对应关系如下：

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PECVD工艺设备中对应的反应腔体压力、射频功率、反应温度都会影响最终的成膜质量，根据不停形貌、不同类型的薄膜优化调整相关的参数，以达到最终的成膜效果。

END

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。

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