La deposición química de vapor mejorada con plasma de baja energía ( LEPECVD ) es una técnica de deposición química de vapor mejorada con plasma que se utiliza para la deposición epitaxial de películas delgadas de semiconductores ( silicio , germanio y aleaciones de SiGe ). Se emplea un plasma de argón DC remoto de baja energía y alta densidad para descomponer eficientemente los precursores de la fase gaseosa sin dañar la capa epitaxial, lo que da como resultado epicapas de alta calidad y altas tasas de deposición (hasta 10 nm/s).
El sustrato (normalmente una oblea de silicio ) se inserta en la cámara del reactor, donde se calienta mediante un calentador resistivo de grafito desde la parte trasera. Se introduce plasma de argón en la cámara para ionizar las moléculas precursoras, generando radicales altamente reactivos que dan como resultado el crecimiento de una epicapa sobre el sustrato. Además, el bombardeo de iones Ar elimina los átomos de hidrógeno adsorbidos en la superficie del sustrato sin introducir daños estructurales. La alta reactividad de los radicales y la eliminación de hidrógeno de la superficie mediante bombardeo iónico evitan los problemas típicos del crecimiento de aleaciones de Si, Ge y SiGe por deposición termoquímica de vapor (CVD), que son
Gracias a estos efectos, la tasa de crecimiento en un reactor LEPECVD depende únicamente de los parámetros del plasma y los flujos de gas, y es posible obtener deposición epitaxial a temperaturas mucho más bajas en comparación con una herramienta CVD estándar.
El reactor LEPECVD se divide en tres partes principales:
El sustrato se coloca en la parte superior de la cámara, mirando hacia la fuente de plasma. El calentamiento se proporciona desde la parte posterior mediante radiación térmica de un calentador de grafito resistivo encapsulado entre dos discos de nitruro de boro , que mejoran la uniformidad de la temperatura en todo el calentador. Los termopares se utilizan para medir la temperatura sobre el calentador, que luego se correlaciona con la del sustrato mediante una calibración realizada con un pirómetro infrarrojo . Las temperaturas típicas del sustrato para películas monocristalinas son de 400 °C a 760 °C, para germanio y silicio, respectivamente.
El potencial de la etapa de oblea puede controlarse mediante una fuente de alimentación externa, que influye en la cantidad y la energía de los radicales que inciden en la superficie, y normalmente se mantiene entre 10 y 15 V con respecto a las paredes de la cámara.
Los gases del proceso se introducen en la cámara a través de un anillo de dispersión de gas colocado debajo de la etapa de oblea. Los gases utilizados en un reactor LEPECVD son silano ( SiH 4 ) y germano ( GeH 4 ) para la deposición de silicio y germanio respectivamente, junto con diborano ( B 2 H 6 ) y fosfina ( PH 3 ) para el dopaje de tipo p y n.
La fuente de plasma es el componente más crítico de un reactor LEPECVD, ya que el plasma de baja energía y alta densidad es la diferencia clave con respecto a un sistema de deposición de PECVD típico . El plasma se genera en una fuente que está unida al fondo de la cámara. El argón se alimenta directamente en la fuente, donde los filamentos de tantalio se calientan para crear un ambiente rico en electrones mediante emisión termoiónica . Luego, el plasma se enciende mediante una descarga de CC desde los filamentos calentados hacia las paredes conectadas a tierra de la fuente. Gracias a la alta densidad electrónica de la fuente, el voltaje necesario para obtener una descarga es de aproximadamente 20-30 V, lo que da como resultado una energía iónica de aproximadamente 10-20 eV, mientras que la corriente de descarga es del orden de varias decenas de amperios, lo que da una alta densidad de iones. La corriente de descarga de CC se puede ajustar para controlar la densidad de iones, cambiando así la tasa de crecimiento: en particular, a una corriente de descarga mayor, la densidad de iones es mayor, por lo que aumenta la tasa.
El plasma ingresa a la cámara de crecimiento a través de un ánodo conectado eléctricamente a las paredes de la cámara conectadas a tierra, que se utiliza para enfocar y estabilizar la descarga y el plasma. Un mayor enfoque lo proporciona un campo magnético dirigido a lo largo del eje de la cámara, proporcionado por bobinas de cobre externas enrolladas alrededor de la cámara. La corriente que fluye a través de las bobinas (es decir, la intensidad del campo magnético) se puede controlar para cambiar la densidad de iones en la superficie del sustrato, cambiando así la tasa de crecimiento. Se colocan bobinas adicionales ("wobblers") alrededor de la cámara, con su eje perpendicular al campo magnético, para barrer continuamente el plasma sobre el sustrato, mejorando la homogeneidad de la película depositada.
Gracias a la posibilidad de cambiar la tasa de crecimiento (mediante la densidad del plasma o los flujos de gas) independientemente de la temperatura del sustrato, se pueden obtener tanto películas delgadas con interfaces nítidas como una precisión hasta la escala nanométrica a tasas tan bajas como 0,4 nm/s. como capas gruesas (hasta 10 um o más) a velocidades de hasta 10 nm/s, se pueden cultivar usando el mismo reactor y en el mismo proceso de deposición. Esto se ha aprovechado para desarrollar guías de onda con composición graduada de baja pérdida para NIR [1] y MIR [2] y nanoestructuras integradas (es decir, pilas de pozos cuánticos) para la modulación de amplitud óptica NIR. [1] La capacidad de LEPECVD para hacer crecer ambos pozos cuánticos muy afilados en amortiguadores gruesos en el mismo paso de deposición también se ha empleado para realizar canales de Ge tensos de alta movilidad. [3]
Otra aplicación prometedora de la técnica LEPECVD es la posibilidad de cultivar microcristales de silicio y germanio autoensamblados de alta relación de aspecto sobre sustratos de Si profundamente modelados. [4] Esto resuelve muchos problemas relacionados con la heteroepitaxia (es decir, el coeficiente de expansión térmica y el desajuste de la red cristalina), lo que conduce a una calidad cristalina muy alta, y es posible gracias a las altas velocidades y bajas temperaturas que se encuentran en un reactor LEPECVD. [5]
