2. Технология плазмохимического осаждения

Процесс разложения кремнийсодержащих соединений активизируется высокочастотным разрядом, образующим в газовой среде при пониженном давлении низкотемпературную кислородную плазму. Плазма состоит из атомов, радикалов, молекул в разных степенях возбуждения, а также электронов и ионов. Плазмохимическое осаждение обычно проводят при давлении в реакционной камере 66 - 660 Па и частоте высокочастотного разряда 13,56 - 40МГц.

При стимулировании процесса осаждения плазмой появляются новые параметры, влияющие на скорость осаждения пленки, её состав, плотность, показатель преломления, равномерность, внутренние напряжения и скорость травления. Кроме температуры, состава газовой смеси, её расхода, давления, геометрии реактора на скорость окисления влияют высокочастотная мощность, напряжение и частота, геометрия электродов и расстояние между ними.

Механизм образования пленок при плазмохимическом осаждении сводится к трем основным стадиям — генерации в разряде ионов и радикалов, адсорбции их на поверхности подложки, перегруппировке адсорбированных частиц на поверхности.

1. Генерация ионов и радикалов

В плазме газового разряда в результате неупругих соударений с атомами и молекулами возможны следующие процессы:

1. возбуждение атомов ē + А → А* + ē;

2. диссоциация ē + А₂ → 2А▪ + ē;

3. ионизация ē + А → А+ + 2ē;

4. присоединение электрона ē + А → А–;

5. ионизация с диссоциацией ē + А₂ → А+ + А▪ + 2ē;

6. рекомбинация с диссоциацией ē + А₂ + → 2А▪;

7. передача заряда А+ + В → А + В+,

где А и В — могут быть атомом или молекулой;

А₂ — молекула;

ē — электрон;

А* — возбужденный атом;

А▪ — свободный радикал;

А–, А+ — отрицательно и положительно заряженные ионы.

В условиях тлеющего разряда энергия электронов сравнительно низка, и скорость генерации радикалов намного превосходит скорость образования ионов.

2. Адсорбция радикалов и ионов

Вследствие высокого коэффициента аккомодации (приспособления) радикалы легко адсорбируются на поверхности подложки, где подвергаются различным воздействиям, включая электронную и ионную бомбардировку, взаимодействуют с другими адсорбированными частицами, образуют новые связи и, таким образом, обеспечивают условия для образования зародышей.

3. Перегруппировка адсорбированных атомов

Диффузия адсорбированного атома на поверхности представляет важную стадию формирования и роста пленок. Одновременно с этим происходит и десорбция продуктов реакции с поверхности. Скорости десорбции и диффузии атомов сильно зависят от температуры подложки, причем при большей температуре получаются пленки с меньшей концентрацией захваченных продуктов реакции, с большей плотностью и более однородным составом.

Химические процессы на поверхности, в частности процессы десорбции, могут стимулироваться ионной бомбардировкой и в значительно меньшей степени — электронной и фотонной бомбардировками. Характерной особенностью пленок, получаемых плазмохимическим методом, является нестехиометричность их состава, что существенно расширяет их возможности.

Рассмотрим в качестве примера осаждение нитрида кремния Si₃N₄ в условиях плазмы тлеющего разряда. Обычно используются исходные реагенты в виде силана и аммиака или азота, и реакция протекает следующим образом:

Реакция протекает многоступенчато.

3. Схема установки

Схема установки для плазмохимического осаждения представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема установки реактора с параллельным расположением электродов

Эта конструкция включает плоские параллельные электроды. Верхний электрод подключен к высокочастотному генератору, обеспечивающему напряжение до 1 кВ с частотой до 13,5 МГц. Нижний заземленный электрод нагревается до температуры 100-400 °С резистивным нагревателем или инфракрасными источниками излучения высокой интенсивности. На этом электроде размещены пластины. Радиально к центру системы направляются потоки газа. Обычно газ вводят через крайние области камеры и выводят из её центральной части, хотя возможно и противоположное направление газового потока. Газовая смесь откачивается вентилятором Рутса, расположенным за механическим насосом. В рабочей камере обеспечивается давление 13—6,5·10² Па, температура пластин 250—300 °С. При обеспечении этих условий между электродами возбуждается ВЧ-разряд, в плазме которого образуются электроны с энергией 1—10 эВ, достаточной для того, чтобы вызвать диссоциацию и ионизацию большинства газовых молекул, участвующих в плазмохимических реакциях. Поскольку подвижность электронов в 10³ раз выше подвижности ионов, любая поверхность, помещенная в плазму, получает большой отрицательный заряд и приобретает отрицательный потенциал по отношению к плазме. Это способствует бомбардировке электродов и подложек не только потоком нейтральных возбужденных атомов и молекул, радикалов и фотонов, но и положительных ионов, что способствует активизации плазмохимических процессов и повышению скорости формирования пленок. Такие реакторы используются для плазмохимического осаждения двуокиси или нитрида кремния. Его главному достоинству – низкой температуре осаждения – сопутствует три следующих недостатка. Емкость реактора ограничена, в частности в него нельзя помещать подложки большого диаметра. Подложки должны загружаться и разгружаться вручную, и, кроме того, возможно их загрязнение падающим сверху рыхлым осадком с ненагретых частей камеры.

Рисунок 3.2 – Схема установки с горячими стенками

В плазмохимическом реакторе с горячими стенками (рис. 3.2) устранены многие недостатки, присущие реактору с радиальным распределением газового потока. В таких реакторах процесс осаждения протекает в кварцевой трубе, нагреваемой в печи. Подложки устанавливаются вертикально, параллельно газовому потоку. Набор электродов, на которых крепятся подложки, представляет собой длинные графитовые или алюминиевый полоски. Сменные полосковые электроды подсоединены к источнику напряжения, создающему тлеющий разряд между электродами. Достоинства подобных реакторов заключаются в их большой емкости и низкой температуре осаждения. Однако при установке набора электродов в реакторе возможно образование отдельных частиц, которые в виде пылинок попадают на поверхность подложек. Кроме того, загрузка и выгрузка подложек в таких реакторах должна проводиться вручную.