6-电感耦合等离子体化学气相沉积法制备硅基薄膜

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1、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（LPC

2、VD）、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

3、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：11-3（1）较高的等离子体密度。ICP的电子密度一般大于10cm，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

4、）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

5、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射频源等离子体区等离子体区等离子体区(c)(a)(b)绝缘包覆层图1几种典型的电感线圈形状及耦合方式一般地说，用电感耦合等离子体CVD技术制备的薄膜，其化学成分的变化可以通过工艺条件来控制。由于不同的工艺条件对等离子体组成的作用强度不同，造成薄膜中的原子具有不同的键和形式，从而引起薄膜的结构、光学性质、输运特性的巨大差异。三、实验装置本试验采用自主设计的内置式单圈电感耦合射频等离子体

6、CVD（ICP-CVD）设备，该装置有下列部分组成：（1）抽气系统（2）反应室（3）大功率振荡系统（4）阻抗匹配网络（5）气路控制系统（6）压强测量及其控制系统（7）衬底温度控制系统图2ICP-CVD设备外形照片(a)(b)匹配箱匹配箱等离子r=5c体mR=22.5cm单圈电感RF电源分子SiH4+H2真空室泵图3ICP-CVD设备示意图（a）平视图；（b）俯视图四、实验步骤1、衬底的清洁处理衬底粘污程度将直接影响所沉积薄膜的质量和薄膜与衬底之间的附着力，所以在沉积前必须对其进行彻底清洁处理。衬底的清洁处理方法很多，并因衬底材料不同而异。对单晶硅及玻璃衬底而言，可先用有机溶剂（丙酮、乙醇等）

7、除去油污，然后用浓硫酸煮沸一次，用去离子水冲洗干净后，再用浓硫酸煮一次，最后用去离子水冲洗干净并煮沸几次后，烘干即可使用。2、抽本底真空（1）开总电源（2）将清洗过的衬底装在衬底板上，并推进真空室支架固定。降下真空罩，打开反应室排气阀，用机械泵抽低抽真空。-2（3）打开真空测量计，测量真空室的真空度，在真空度达到10Torr时，打-2开气路控制系统，对该系统进行逐级抽真空，直到整个系统真空度达到10Torr。