北京科技大学材料科学学院：《薄膜材料与纳米技术 Thin Film Materials & Nanotechnology》第六讲 薄膜材料制备的等离子体辅助CVD方法 Preparation of thin films by plasma enhanced CVD process

薄膜材料与纳米技术 Thin Film Materials Nanotechnology 北京科技大学材料科学学院唐伟忠 62332475 E-mai wztang@mater.ustb.edu.cn 课件下载网址:wztangteaching(@sina.com 下载密码 123456

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第六讲 薄膜材料制备的等离子体辅助CV方法 Preparation of thin films by plasma enhanced CVD process

第六讲 薄膜材料制备的等离子体辅助CVD方法 Preparation of thin films by plasma enhanced CVD process

提要 ◆等离子体的一般性质 ◆等离子体辅助CVD的机理和特 ◆等离子体辅助的CVD方法

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

等离子体和等离子体中的微观过程 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XY+e→XY+e (使气体分子的动能增加) 电子与气体分子的非弹性碰撞 XY+e→XY*+e 激发 XY+e→X+Y+e 分解 XY+e→XY++2e 电离 (使气体分子的内能增加)

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*+e XY+eX+Y+e XY+e XY++2e （使气体分子的内能增加）

各种等离子体 高压弧 的电子温度与 任也孤 等离子体密度 热反程雄 群光也 1 火 电子乘 电离恳 PECVD使用的等离 私零 子体多为辉光放电 等离子体 梁际空间 行要空网少

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

等离子体的一般性质 典型的辉光放电等离子体中 等离子体密度~1010cm3 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,等离子体中存在着大量的活性基团 离子、激发态的分子和原子、自由基

◼ 等离子体密度  1010/cm3 ◼ 等离子体中电子的温度Te  2 eV = 23000K ◼ 离子及中性原子处于低能态，如 300500K ◼ 但，等离子体中存在着大量的活性基团： 离子、激发态的分子和原子、自由基 等离子体的一般性质 典型的辉光放电等离子体中：

等离子体的特性 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) 频率 DC DC 13.56 MHZ(RF) 3.56 MHZ (RF) 245GHz(微波) 功率 0~100kW 1~20MW 等离子体密度 109~1012/cm 1014/cm3 压力 I Pa0.15 atm 2 kPa l atm 电子温度 104K 104K 原子温度 500K 104K

等离子体的特性 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） 频率 DC 13.56 MHz (RF) 2.45GHz （微波） DC 13.56 MHz (RF) 功率 0 ～100 kW 1～20 MW 等离子体密度 109～1012 /cm3 ～1014 /cm3 压力 1Pa～0.15 atm 2 kPa～ 1 atm 电子温度 ～104K ～104K 原子温度 ～500K ～104K

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 ■从此意乂上讲,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 型属辉光放电,等离子体密度约109~1012个 cm3,而电子温度约1~10eV

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 型属辉光放电，等离子体密度约1091012个 /cm3 ，而电子温度约110eV

PECVD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过程的进行依赖于反应的速率 E to rt 那时,热能是使过程得以进行的激活能的来源

PECVD 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过程的进行依赖于反应的速率 那时，热能是使过程得以进行的激活能的来源 RT E k k e + − + + = 0

PECVD的主要优点 薄膜低温沉积的意乂包括 ◆避免薄膜与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 的主要优点 薄膜低温沉积的意义包括： ◆避免薄膜与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