第七讲_化学气相沉积-PECVD技术ppt课件.ppt

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1、第七讲薄膜材料的等离子体辅助CVD制备技术PreparationofthinfilmsbyplasmaenhancedCVD（PECVD)processes提要等离子体的一般性质等离子体辅助CVD的机理和特点等离子体辅助的CVD方法放电击穿后，气体成为具有一定导电能力的等离子体，它是一种由离子、电子及中性原子和原子团组成，而宏观上对外呈现电中性的物质存在形式等离子体和等离子体中的微观过程等离子体中电子碰撞参与的主要微观过程电子与气体分子的弹性碰撞电子与气体分子的非弹性碰撞激发分解电离XY+eXY+e（使气体分子的动能增加）XY+eXY+eXY+eX+Y+eXY+eXY+

2、+2e（使气体分子的内能增加）各种等离子体的电子温度与等离子体密度PECVD使用的等离子体多为辉光放电等离子体:Te2eVne1010/cm3○○等离子体密度1010/cm3(1/10000的电离率)等离子体中电子的温度Te2eV=23000K离子及中性原子处于低能态，如300500K但，等离子体中还存在着大量的活性基团：离子、原子、激发态的分子和原子、自由基如:CH4+,C,CH4,C,CH3等离子体的一般性质（参阅第二章）在典型的辉光放电等离子体中：等离子体和等离子体中的微观过程等离子体中，SiH4气相分子经碰撞过程而生成各种活性基团等离子体和等离子体中的微观过程

3、densityofradicalsproducedviaelectron-impactdissociation,inarealisticsilaneplasmaA.Matsudaetal./SolarEnergyMaterials&SolarCells78(2003)3–26○不同类型的等离子体等离子体类型辉光放电弧光放电（非平衡等离子体）（局域平衡等离子体）激励电源频率DC13.56MHz(RF)2.45GHz（微波）DC13.56MHz(RF)功率0～100kW1～20MW等离子体密度109～1012/cm3～1014/cm3压力1Pa～0.15atm2kPa～1atm电子

4、温度～104K～104K原子温度～500K～104K远离接近热力学平衡等离子体辅助化学气相沉积（PECVD)在CVD过程中，利用等离子体对沉积过程施加影响的技术被称为等离子体辅助化学气相沉积技术从此意义上讲，一般的CVD技术依赖于相对较高的温度，因而可被称为热CVD技术在PECVD装置中，气体的压力多处于易于维持大面积等离子体的5500Pa的范围，放电类型多属于辉光放电，等离子体密度约1091012个/cm3，而电子温度约110eVPECVD的主要优点PECVD方法区别于普通CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可间接地提供CVD过程所需要的激活能电

5、子与气相分子的碰撞可促进气体分子的分解、化合、激发和电离，生成活性很高的各种化学基团，显著降低CVD薄膜沉积的温度而普通CVD过程的反应速率那时，热能是使过程得以进行的激活能的来源热CVD和等离子体辅助CVD的典型沉积温度范围薄膜沉积温度(C)CVDPECVD硅外延薄膜1000～1250750多晶硅650200～400Si3N4900300SiO2800～1100300TiC900～1100500TiN900～1100500WC1000325～525在PECVD的温度下，若采用热CVD，也许根本没有任何反应发生薄膜PECVD低温沉积的主要优点薄膜低温沉积的意义包括：避免薄膜与

6、衬底间发生不必要的扩散与反应避免薄膜或衬底材料的结构变化与性能恶化避免薄膜与衬底中出现较大的热应力等PECVD过程中的微观过程在气相中,PECVD发生的是PVD和CVD结合的过程在衬底表面,发生的是与热CVD相似的吸附、扩散、反应以及脱附等一系列的微观过程热CVD过程PECVD过程e-气体分子与电子碰撞，产生出活性基团和离子；活性基团扩散到衬底表面活性基团也可与其他气体分子或活性基团发生相互作用，进而形成沉积所需的新的化学基团；化学基团扩散到衬底表面到达衬底表面的各种化学基团发生各种沉积反应并释放出反应产物离子、电子轰击衬底造成的表面活化;衬底温度升高引起的热激活效应等PECV

7、D过程中重要的物理-化学过程但太阳能电池、集成电路等领域均需要在低温下制备Si薄膜利用PECVD技术，则可以将Si薄膜的沉积温度降低至300C以下PECVD方法制备非晶Si薄膜的过程Si薄膜可由热解反应制备：SiH4(g)Si(s)+2H2(g)(650C)或由还原反应制备：SiCl4(g)+2H2(g)Si(s)+4HCl(g)(1200C)但在低温下,Si薄膜的沉积速率却由于表面反应速率降低而急剧下降并产生少量的离子和其他活性基团在上述SiH3、SiH2、H三种活性基团中，浓度