La deposición química en fase de vapor mejorada con plasma de baja energía ( LEPECVD ) es una técnica de deposición química en fase de vapor mejorada con plasma que se utiliza para la deposición epitaxial de películas delgadas de semiconductores ( aleaciones de silicio , germanio y SiGe ). Se utiliza un plasma de argón de CC remoto de baja energía y alta densidad para descomponer de manera eficiente los precursores de la fase gaseosa sin dañar la capa epitaxial, lo que da como resultado capas epitaxiales 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 posterior. Se introduce un plasma de argón en la cámara para ionizar las moléculas de los precursores, generando radicales altamente reactivos que dan lugar al 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 ningún daño estructural. La alta reactividad de los radicales y la eliminación de hidrógeno de la superficie mediante bombardeo de iones evitan los problemas típicos del crecimiento de aleaciones de Si, Ge y SiGe mediante deposición química en fase de vapor (CVD) térmica, que son
Gracias a estos efectos, la tasa de crecimiento en un reactor LEPECVD depende únicamente de los parámetros del plasma y de los flujos de gas, y es posible obtener una 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 abajo, 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. Se utilizan termopares para medir la temperatura por encima del 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 el germanio y el silicio respectivamente.
El potencial de la etapa de oblea se puede controlar mediante una fuente de alimentación externa, lo 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 de proceso se introducen en la cámara a través de un anillo de dispersión de gases situado debajo de la etapa de obleas. 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 dopado 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 un sistema de deposición PECVD típico . El plasma se genera en una fuente que está unida a la parte inferior de la cámara. El argón se alimenta directamente a la fuente, donde los filamentos de tantalio se calientan para crear un entorno rico en electrones por emisión termoiónica . Luego, el plasma se enciende mediante una descarga de CC desde los filamentos calentados hasta las paredes conectadas a tierra de la fuente. Gracias a la alta densidad de electrones en la fuente, el voltaje requerido para obtener una descarga es de alrededor de 20-30 V, lo que resulta en 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 iónica. La corriente de descarga de CC se puede ajustar para controlar la densidad iónica, cambiando así la tasa de crecimiento: en particular, a una corriente de descarga mayor, la densidad iónica es mayor, lo que aumenta la tasa.
El plasma entra en 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. Se proporciona un enfoque adicional mediante un campo magnético dirigido a lo largo del eje de la cámara, proporcionado por bobinas de cobre externas envueltas 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, modificando así la velocidad 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 (a través de la densidad del plasma o los flujos de gas) independientemente de la temperatura del sustrato, se pueden cultivar tanto películas delgadas con interfaces nítidas y una precisión hasta la escala nanométrica a velocidades tan bajas como 0,4 nm/s, como capas gruesas (hasta 10 um o más) a velocidades tan altas como 10 nm/s, utilizando el mismo reactor y en el mismo proceso de deposición. Esto se ha aprovechado para desarrollar guías de onda de composición graduada de baja pérdida para NIR [1] y MIR [2] y nanoestructuras integradas (es decir, pilas de pozos cuánticos) para modulación de amplitud óptica NIR. [1] La capacidad de LEPECVD para desarrollar pozos cuánticos muy nítidos en tampones gruesos en el mismo paso de deposición también se ha empleado para realizar canales de Ge deformados de alta movilidad. [3]
Otra aplicación prometedora de la técnica LEPECVD es la posibilidad de hacer crecer microcristales de silicio y germanio autoensamblados con una alta relación de aspecto sobre sustratos de Si con patrones profundos. [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 de cristal muy alta, y es posible gracias a las altas tasas y bajas temperaturas que se encuentran en un reactor LEPECVD. [5]
