La deposición química de vapor mejorada con plasma ( PECVD ) es un proceso de deposición química de vapor que se utiliza para depositar películas delgadas desde un estado gaseoso ( vapor ) a un estado sólido sobre un sustrato . En el proceso intervienen reacciones químicas que se producen tras la formación de un plasma de los gases que reaccionan. El plasma generalmente se crea mediante descarga de radiofrecuencia (RF) ( corriente alterna (AC)) o corriente continua (DC) entre dos electrodos , cuyo espacio entre ellos se llena con los gases que reaccionan.
Un plasma es cualquier gas en el que un porcentaje importante de los átomos o moléculas están ionizados. La ionización fraccional en plasmas utilizados para la deposición y el procesamiento de materiales relacionados varía desde aproximadamente 10 −4 en descargas capacitivas típicas hasta un 5-10% en plasmas inductivos de alta densidad. Los plasmas de procesamiento normalmente funcionan a presiones de unos pocos militorres a unos pocos torr , aunque las descargas de arco y los plasmas inductivos pueden encenderse a presión atmosférica. Los plasmas con baja ionización fraccionada son de gran interés para el procesamiento de materiales porque los electrones son tan livianos, en comparación con los átomos y las moléculas, que el intercambio de energía entre los electrones y el gas neutro es muy ineficiente. Por lo tanto, los electrones pueden mantenerse a temperaturas equivalentes muy altas (decenas de miles de kelvin, equivalentes a varios electronvoltios de energía promedio), mientras que los átomos neutros permanecen a la temperatura ambiente. Estos electrones energéticos pueden inducir muchos procesos que de otro modo serían muy improbables a bajas temperaturas, como la disociación de moléculas precursoras y la creación de grandes cantidades de radicales libres.
El segundo beneficio de la deposición dentro de una descarga surge del hecho de que los electrones son más móviles que los iones. Como consecuencia, el plasma normalmente es más positivo que cualquier objeto con el que esté en contacto, ya que de lo contrario fluiría un gran flujo de electrones desde el plasma al objeto. La diferencia de voltaje entre el plasma y los objetos en sus contactos normalmente ocurre a través de una región de vaina delgada. Los átomos o moléculas ionizados que se difunden hasta el borde de la región de la vaina sienten una fuerza electrostática y son acelerados hacia la superficie vecina. Así, todas las superficies expuestas al plasma reciben un bombardeo energético de iones. El potencial a través de la vaina que rodea un objeto eléctricamente aislado (el potencial flotante) suele ser de sólo 10 a 20 V, pero se pueden lograr potenciales de vaina mucho más altos mediante ajustes en la geometría y configuración del reactor. Por tanto, las películas pueden exponerse a un bombardeo de iones energéticos durante la deposición. Este bombardeo puede provocar aumentos en la densidad de la película y ayudar a eliminar contaminantes, mejorando las propiedades eléctricas y mecánicas de la película. Cuando se utiliza un plasma de alta densidad, la densidad de iones puede ser lo suficientemente alta como para que se produzca una pulverización catódica significativa de la película depositada; Esta pulverización catódica se puede emplear para ayudar a planarizar la película y rellenar zanjas o agujeros.
Se puede crear fácilmente una descarga de CC simple con unos pocos torr entre dos electrodos conductores y puede ser adecuada para la deposición de materiales conductores. Sin embargo, las películas aislantes extinguirán rápidamente esta descarga a medida que se depositen. Es más común excitar una descarga capacitiva aplicando una señal de CA o RF entre un electrodo y las paredes conductoras de la cámara de un reactor, o entre dos electrodos conductores cilíndricos uno frente al otro. La última configuración se conoce como reactor de placas paralelas. Frecuencias de unas pocas decenas de Hz a unos pocos miles de Hz producirán plasmas variables en el tiempo que se inician y extinguen repetidamente; frecuencias de decenas de kilohercios a decenas de megahercios dan como resultado descargas razonablemente independientes del tiempo.
Las frecuencias de excitación en el rango de baja frecuencia (LF), generalmente alrededor de 100 kHz, requieren varios cientos de voltios para sostener la descarga. Estos grandes voltajes conducen al bombardeo de superficies con iones de alta energía. Los plasmas de alta frecuencia suelen excitarse a la frecuencia estándar de 13,56 MHz , ampliamente disponible para uso industrial; a altas frecuencias, la corriente de desplazamiento debido al movimiento de la vaina y la dispersión de la vaina ayudan a la ionización y, por lo tanto, voltajes más bajos son suficientes para lograr densidades de plasma más altas. Por tanto, se puede ajustar la química y el bombardeo de iones en la deposición cambiando la frecuencia de excitación o utilizando una mezcla de señales de baja y alta frecuencia en un reactor de doble frecuencia. Una potencia de excitación de decenas a cientos de vatios es típica para un electrodo con un diámetro de 200 a 300 mm.
Los plasmas capacitivos suelen estar ligeramente ionizados, lo que da como resultado una disociación limitada de los precursores y bajas tasas de deposición. Se pueden crear plasmas mucho más densos utilizando descargas inductivas, en las que una bobina inductiva excitada con una señal de alta frecuencia induce un campo eléctrico dentro de la descarga, acelerando los electrones en el propio plasma en lugar de solo en el borde de la vaina. También se han utilizado reactores de resonancia de ciclotrón electrónico y antenas de ondas de helicón para crear descargas de alta densidad. En los reactores modernos se suelen utilizar potencias de excitación de 10 kW o más.
Los plasmas de alta densidad también pueden generarse mediante una descarga de CC en un entorno rico en electrones, obtenida mediante emisión termoiónica de filamentos calentados. Los voltajes requeridos por la descarga del arco son del orden de unas pocas decenas de voltios , lo que da como resultado iones de baja energía. El plasma de alta densidad y baja energía se aprovecha para la deposición epitaxial a altas velocidades en reactores de deposición química de vapor mejorados con plasma de baja energía .
Trabajando en Standard Telecommunication Laboratories (STL), Harlow, Essex, RCG Swann descubrió que la descarga de RF promovía la deposición de compuestos de silicio en la pared del recipiente de vidrio de cuarzo. [1] Varias publicaciones internas de STL fueron seguidas en 1964 por solicitudes de patente francesas, [2] británicas [3] y estadounidenses [4] . Se publicó un artículo en el volumen de agosto de 1965 de Solid State Electronics. [5]
La deposición por plasma se utiliza a menudo en la fabricación de semiconductores para depositar películas de forma conformada (que cubren las paredes laterales) y sobre obleas que contienen capas metálicas u otras estructuras sensibles a la temperatura. PECVD también produce algunas de las tasas de deposición más rápidas manteniendo la calidad de la película (como rugosidad, defectos/huecos), en comparación con la deposición por pulverización catódica y la evaporación térmica/por haz de electrones, a menudo a expensas de la uniformidad.
El dióxido de silicio se puede depositar utilizando una combinación de gases precursores de silicio como diclorosilano o silano y precursores de oxígeno, como oxígeno y óxido nitroso , normalmente a presiones de unos pocos militorr a unos pocos torr. El nitruro de silicio depositado por plasma , formado a partir de silano y amoníaco o nitrógeno , también se utiliza ampliamente, aunque es importante señalar que no es posible depositar un nitruro puro de esta manera. Los nitruros de plasma siempre contienen una gran cantidad de hidrógeno , que puede estar unido al silicio (Si-H) o al nitrógeno (Si-NH); [6] este hidrógeno tiene una influencia importante en la absorción de IR y UV, [7] la estabilidad, el estrés mecánico y la conductividad eléctrica. [8] Esto se utiliza a menudo como capa pasivante superficial y en masa para células fotovoltaicas de silicio multicristalino comerciales. [9]
El dióxido de silicio también se puede depositar a partir de un precursor de silicio de tetraetilortosilicato (TEOS) en un plasma de oxígeno o de oxígeno-argón. Estas películas pueden estar contaminadas con una cantidad significativa de carbono e hidrógeno como silanol y pueden ser inestables en el aire [ cita requerida ] . Presiones de unos pocos torr y espaciamientos pequeños entre electrodos y/o deposición de doble frecuencia son útiles para lograr altas tasas de deposición con buena estabilidad de la película.
La deposición por plasma de alta densidad de dióxido de silicio a partir de silano y oxígeno/argón se ha utilizado ampliamente para crear una película casi libre de hidrógeno con buena conformidad sobre superficies complejas; esta última resulta del intenso bombardeo iónico y la consiguiente pulverización de las moléculas depositadas de vertical a vertical. superficies horizontales [ cita requerida ] .