等离子体化学气相沉积技术

1．技术内容及技术关键 


等离子体化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体（非平衡等离子体）作能量源，工件置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使工件升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在工件表面形成固态薄膜。它包括了化学气相沉积的一般技术，又有辉光放电的强化作用。 


由于粒子间的碰撞，产生剧烈的气体电离，使反应气体受到活化。同时发生阴极溅射效应，为沉积薄膜提供了清洁的活性高的表面。因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同。这两方面的作用，在提高涂层结合力，降低沉积温度，加快反应速度诸方面都创造了有利条件。 


等离子体化学气相沉积技术按等离子体能量源方式划分，有直流辉光放电、射频放电和微波等离子体放电等。随着频率的增加，等离子体强化CVD过程的作用越明显，形成化合物的温度越低。 


PCVD的工艺装置由沉积室、反应物输送系统、放电电源、真空系统及检测系统组成。气源需用气体净化器除去水分和其它杂质，经调节装置得到所需要的流量，再与源物质同时被送入沉积室，在一定温度和等离子体激活等条件下，得到所需的产物，并沉积在工件或基片表面。所以，PCVD工艺既包括等离子体物理过程，又包括等离子体化学反应过程。 


PCVD工艺参数包括微观参数和宏观参数。微观参数如电子能量、等离子体密度及分布函数、反应气体的离解度等。宏观参数对于真空系统有，气体种类、配比、流量、压强、抽速等；对于基体来说有，沉积温度、相对位置、导电状态等；对于等离子体有，放电种类、频率、电极结构、输入功率、电流密度、离子温度等。以上这些参数都是相互联系、相互影响的。 


1.直流等离子体化学气相沉积（DC-PCVD） 


DC-PCVD是利用高压直流负偏压（-1～-5kV），使低压反应气体发生辉光放电产生等离子体，等离子体在电场作用下轰击工件，并在工件表面沉积成膜。 


直流等离子体比较简单，工件处于阴极电位，受其形状、大小的影响，使电场分布不均匀，在阴极附近压降最大，电场强度最高，正因为有这一特点，所以化学反应也集中在阴极工件表面，加强了沉积效率，避免了反应物质在器壁上的消耗。缺点是不导电的基体或薄膜不能应用。因为阴极上电荷的积累会排斥进一步的沉积，并会造成积累放电，破坏正常的反应。DC-PCVD装置如图1。 


该设备由于工件仅靠离子和高能粒子轰击提供能量，在进行产品的批量生产时就不可避免的暴露出一些缺点： 


1）各工艺参数在沉积时相互影响、互相制约、无法独立控制，使工艺调整和控制困难。 


2）不同工件在离子轰击加热过程中，由于其表面积不同，则产生一定的温差，同时，沉积室内壁是阳极，温度低，使其附近的工件与中心部分的工件也有一定的温差。 


3）当装炉量大，工件体积大或沉积温度要求较高，需要离子能量较大时，直流辉光放电的工作区域在异常辉光放电的较强段，很容易过渡到弧光放电，引起电源打弧、跳闸、工艺过程不能正常进行。 


为了解决以上问题，有的学者采用双阴极辉光放电装置，增加一个阴极作为辅助阴极，虽然有一定效果，但还不够完善。 


目前，国内外研究者更多的是采用辅助加外热方式沉积技术来解决以上问题，改变了单纯依靠离子轰击加热而带来的弊端，将反应时等离子体放电强度与放电工件温度分离，从而提高了工艺的稳定性和重复性