La deposición química en fase de vapor mejorada con plasma ( PECVD ) es un proceso de deposición química en fase 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 después de la creación de un plasma de los gases que reaccionan. El plasma se crea generalmente mediante una descarga de corriente alterna (CA) o corriente continua (CC) de radiofrecuencia (RF) entre dos electrodos , cuyo espacio entre ellos se llena con los gases que reaccionan.
Un plasma es cualquier gas en el que un porcentaje significativo de los átomos o moléculas están ionizados. La ionización fraccionaria en plasmas utilizados para la deposición y el procesamiento de materiales relacionados varía de aproximadamente 10 −4 en descargas capacitivas típicas hasta un 5-10% en plasmas inductivos de alta densidad. Los plasmas de procesamiento generalmente funcionan a presiones de unos pocos militorrs a unos pocos torr , aunque las descargas de arco y los plasmas inductivos pueden encenderse a presión atmosférica. Los plasmas con baja ionización fraccionaria 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 se pueden mantener a temperaturas equivalentes muy altas (decenas de miles de kelvin, equivalentes a varios electronvoltios de energía promedio), mientras que los átomos neutros permanecen a 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, un gran flujo de electrones fluiría del plasma al objeto. La diferencia de voltaje entre el plasma y los objetos en sus contactos normalmente se produce a través de una región de vaina delgada. Los átomos o moléculas ionizados que se difunden al borde de la región de la vaina sienten una fuerza electrostática y se aceleran hacia la superficie vecina. Por lo tanto, todas las superficies expuestas al plasma reciben un bombardeo de iones energéticos. El potencial a través de la vaina que rodea un objeto aislado eléctricamente (el potencial flotante) es típicamente de solo 10-20 V, pero se pueden lograr potenciales de vaina mucho más altos mediante ajustes en la geometría y configuración del reactor. Por lo 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 significativa de la película depositada; esta pulverización se puede emplear para ayudar a planarizar la película y rellenar zanjas o agujeros.
Se puede crear fácilmente una descarga de CC simple a 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 depositan. Es más común excitar una descarga capacitiva aplicando una señal de CA o RF entre un electrodo y las paredes conductoras de una cámara de reactor, o entre dos electrodos conductores cilíndricos enfrentados. La última configuración se conoce como reactor de placas paralelas. Las 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; las 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 altos voltajes conducen a un bombardeo de iones de alta energía sobre las superficies. Los plasmas de alta frecuencia se excitan a menudo a la frecuencia estándar de 13,56 MHz , ampliamente disponible para uso industrial; a altas frecuencias, la corriente de desplazamiento del movimiento de la vaina y la dispersión de la misma ayudan a la ionización, y por lo tanto, voltajes más bajos son suficientes para lograr densidades de plasma más altas. Por lo tanto, se puede ajustar la química y el bombardeo de iones en la deposición modificando 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 muy poco ionizados, lo que da como resultado una disociación limitada de los precursores y tasas de deposición bajas. 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 de electrones y antenas de ondas helicónicas 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 corriente continua en un entorno rico en electrones, obtenida por emisión termoiónica a partir de filamentos calentados. Los voltajes requeridos por la descarga de 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 en fase de vapor mejorados con plasma de baja energía .
Mientras trabajaba en Standard Telecommunication Laboratories (STL), Harlow, Essex, RCG Swann descubrió que la descarga de radiofrecuencia promovía la deposición de compuestos de silicio sobre 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 manera conformada (cubriendo las paredes laterales) y sobre obleas que contienen capas de metal u otras estructuras sensibles a la temperatura. La PECVD también produce algunas de las velocidades de deposición más rápidas, manteniendo al mismo tiempo la calidad de la película (como la rugosidad, los defectos/vacíos), 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 , típicamente 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 usa 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, la tensión mecánica y la conductividad eléctrica. [8] Esto se usa a menudo como una capa de pasivación superficial y a granel para células fotovoltaicas de silicio policristalino comerciales. [9]
El dióxido de silicio también se puede depositar a partir de un precursor de silicio tetraetilortosilicato (TEOS) en un plasma de oxígeno u 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 ] . Las presiones de unos pocos torr y pequeños espaciamientos entre electrodos, y/o la deposición de doble frecuencia, son útiles para lograr altas tasas de deposición con buena estabilidad de la película.
La deposición de 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, siendo esta última el resultado de un intenso bombardeo de iones y la consiguiente pulverización catódica de las moléculas depositadas desde superficies verticales a superficies horizontales [ cita requerida ] .