电感耦合等离子体化学气相沉积法制备硅基薄膜.pdfVIP

电感耦合等离子体化学气相沉积法 制备硅基薄膜 一、引 言 近年来，随着薄膜材料在高新技术领域的广泛应用，化学气象沉积法 （CVD ） 制备薄膜技术得到了长足的发展。有关这一沉积过程中的物理问题、薄膜形成过 程中的动力学机制以及薄膜为结构的特点一直都是材料科学界感兴趣的课题。 CVD 技术最重要的特点就是薄膜样品可以在相对低的温度下（典型的衬底温度 为 300 ℃或更低）成核、生长，其根本原因之一在于气氛中的载源气体可以有效 地减小系统动力学粘滞系数，提高热导率，从而增大气相及衬底表面的扩散系数。 CVD 技术可广泛地应用于外延、多晶及非晶材料的制备领域。由 CVD 技术 派生出很多具有类似生长机理的成膜技术，如低压 CVD （LPCVD ）、电容耦合 等离子体 CVD （CCP-CVD ）、电感耦合等离子体 CVD （ICP-CVD ）、热丝 CVD （HWCVD ）、微波等离子体 CVD （MWCVD ）、金属有机物 CVD （MOCVD ） 等等。不同成膜技术的工艺条件及所制备的材料物性也各不相同。 本实验介绍用电感耦合等离子体 CVD （ICP-CVD ）技术制备高质量的硅基 薄膜。 二、原 理 电感耦合等离子体（ICP ）在微电子器件制造工艺的深亚微米刻蚀、薄膜材 料制备等领域越来越受到重视。其基本原理是：等离子体由射频环形放电产生， 当电感线圈通过射频电流时，在真空室（放电管）中激发出交变的磁场，这个变 化的磁场又感应出电场，气体中的电子从电磁场中获取能量并电离，从而产生较 高密度的等离子体。 ICP 可大致分为高压 ICP 和低压 ICP 两种：前者是在大气压强下点火，产生 等离子炬，其应用主要是在光谱分析领域；后者则是在较低压强下 （1~100mTorr） 产生放电，形成的等离子体中电子与离子温度相差较大，两者之间处于非热平衡 状态。 ICP 具有以下特点： （1） 较高的等离子体密度。ICP 的电子密度一般大于 1011 cm-3 ，远远高于 传统的电容耦合等离子体源，与其他高密度等离子体源如电子回旋共振等离子体 源等相比较并不逊色。 （2 ） 设备结构简单。其他高密度等离子体源需要有较大的磁场线圈，设备 庞大昂贵，ICP 则无需外加磁场，因此，设备成本低，是一种经济实用的低温高 密度等离子体源。 （3 ） 较好的等离子体均匀性和离子通量方向选择性，较低和可控的离子能 量，能够独立控制离子能量和等离子体密度，易于实现大面积和选择刻蚀方向。 （4 ） 低气压下工作。由于可在较低气压（1~100mTorr）下产生高密度等离 子体，等离子体源中的高能量粒子对衬底的轰击损伤可大为减少。 ICP 源是一个复杂的放电系统，由之产生的等离子体特征取决于诸多因素， 如放电机制、线圈几何形状、放电容器的结构等。电感线圈的几何结构对等离子 体均匀性有显著影响。几种典型的电感线圈装置如图 1 所示。（a ）与（b ）都属 于多圈电感类型，在实际应用中由于其本身较大的电感，有降低 ICP 工作效率、 影响等离子体的均匀性以及放电稳定性等缺陷，使得加工面积不能再扩大。（c ） 为内置式单圈电感，单匝电感线圈具有相对较好的等离子体径向均匀性，且无需 外加磁场，避免了使用磁场约束导致的对等离子体均匀性的破坏。 帽型螺旋线 绝 缘 平面螺旋线圈 圈 管 浸没式单匝线圈 射频源 绝缘板 射频源 源 频 射 等离子体区 等离子体区 等离子体区 (a) (b)