PECVD的工作原理
PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是一种常用的化学气相沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、薄膜等领域。本文将详细介绍PECVD的工作原理，包括基本原理、设备结构、工作过程和应用。
一、基本原理
PECVD是利用等离子体（plasma）在化学气相沉积过程中提供能量，促进气体份子的激活和反应。等离子体是指气体中的电离态和非电离态粒子的混合物，具有高能量和活性。PECVD利用等离子体的特性，使得气相中的前驱体份子在表面发生化学反应，从而形成所需的薄膜。
二、设备结构
PECVD设备主要由气体供给系统、真空系统、等离子体发生器、反应室和控制系统等组成。气体供给系统用于提供所需的前驱体气体和载气；真空系统用于建立反应室内的高真空环境；等离子体发生器通过高频电场或者射频电场产生等离子体；反应室是进行化学反应的主要空间；控制系统用于控制各个部份的运行参数。
三、工作过程
PECVD的工作过程主要包括气体供给、真空抽取、等离子体激发和化学反应四个阶段。
1. 气体供给：前驱体气体和载气通过气体供给系统进入反应室。前驱体气体是形成所需薄膜的主要气体，如硅烷、氨气、二甲基铜等；载气用于稀释前驱体气体，调节反应条件。
2. 真空抽取：在气体供给后，通过真空系统将反应室内的气体抽取至较低的压力，以建立高真空环境。高真空有利于等离子体的形成和反应的进行。 3. 等离子体激发：在建立高真空后，通过等离子体发生器产生高频电场或者射频电场，激发气体中的电子，形成等离子体。等离子体中的高能电子与气体份子碰撞，使其激活并增加反应速率。
4. 化学反应：在等离子体的作用下，前驱体气体发生化学反应，沉积在基底表面形成薄膜。反应的具体机理和反应条件会根据所需薄膜的性质而有所不同。
四、应用
PECVD广泛应用于半导体、光电子、薄膜等领域，主要用于薄膜的生长和表面改性。具体应用包括：
ISSG及其氮化工艺对NBTI效应的改善
二氧化硅薄膜在集成电路中有着广泛的应用,它既可以作为MOS管的栅氧化层材料,又可以作为集成电器间的绝缘介质。通常硅片上的氧化物可以通过热生长或者淀积的方法产生。在高温的环境里,通过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应,可以在硅片上得到一层热生长的氧化层。在这个过程中,氧化物从半导体材料上生长出来,消耗了硅。用于热工艺的基本设备有三种:卧式炉,立式炉,快速热处理器。在利用炉管进行薄膜生长的过程中,由于反应气体是沿着炉壁进入反应腔的,因此,硅片边缘部分的反应气体浓度总是高于硅片中心部分,最终造成了硅片表面薄膜从硅片中心到硅片边缘逐渐变厚。有数据显示,当生长二氧化硅薄膜15 nm时,硅片边缘部分的薄膜往往比中心部分厚1 nm。二氧化硅薄膜厚度的这一差异会造成器件特性的变化,导致产品的良率降低10%以上。为了克服二氧化硅薄膜厚度不均匀的缺点,业界往往采用改变气体流动方式、使用新型晶舟等涉及硬件改动的办法,费时费力且成本高昂。ISSG (In-Situ Steam Generation), 全称原位水气生成,是一种新型低压快速氧化热退火技术(RTP,Rapid Thermal
Process),目前主要用于超薄氧化薄膜生长,牺牲氧化层以及氮氧薄膜的制备。 本文在对ISSG工艺特性做了简单分析的基础上讨论了ISSG
氧化物薄膜的可靠性问题,也讨论了ISSG工艺及其相关的氮化工艺对NBTI的改善原理。
2ISSG工艺特性简介
ISSG 采用掺入少量氢气的氧气作为反应气氛。在高温下氢气和氧气产生类似于燃烧的化学反应, 生成大量的气相活性自由基,其中主要是原子氧。由于原子氧的强氧化作用,最终得到的氧化物薄膜体内缺陷少,界面态密度也比较小。
ISSG是一种快速热处理工艺(RTP),RTP的特点是处理时间短,能在短时间内加热和冷却硅片,热预算少,而且硅片的温度均匀性比较好。RTP有很多应用,比如退火和氧化等。比如离子化注入工艺中就要用到RTP激活注入的离子。ISSG就是RTP在氧化方面的一个应用。ISSG工艺影响因素有三个:反应压强,气体流速和温度。反应压强是影响薄膜生长模式的重要因素,它的轻微变化也会形成完全不同的薄膜生长模式,会对薄膜均匀性产生重要影响。ISSG工艺的反应压强一般在667~2000Pa之间。气体流量对生长速率有很大的影响。流量越大,二氧化硅生长速率越快。其中氢气的流量最多不能超过35%。因为超过这个极限后薄膜生长速率基本不再增大。温度对ISSG工艺的影响很小,但有实验证明ISSG对反应温度有基本要求,必须在一定的温度范围内(900~1200℃)ISSG氧化薄膜生长才能进行。
MBE（分子束外延）结构原理：
分子束外延生长法，是在对生长条件严格控制的超高真空下完成单晶薄膜生长的，是真空蒸镀方法的进一步发展。其晶体生长过程是在非热平衡条件下完成，仅受基片的动力学制约。这是与在近热平衡状态下进行的液相外延生长的根本区别。
为实现上述功能，必须把从蒸发源蒸发的构成元素变成束状（分子束），并设法使分子束无环境气氛围绕，即蒸发源应由几个克努曾槽型分子束盒和围绕分子束的液氮屏蔽构成。用加热分子束盒的方法去除杂质气体和残余蒸发分子。用四极质量分析仪检查分子束的强度和种类，并把测得的结果反馈给蒸发源，以控制各分子束盒的温度和遮蔽板的开、关。安装在生长室的反射电子衍射仪、俄歇电子谱仪等，则用于对基片、膜结晶性和表面状态等进行原位观察。分子束盒（源）由坩埚、围绕坩埚的加热器、金属钽/Ta（或氮化硼）制成的热屏蔽、开闭喷出口用的遮蔽板等组成。整个分子束盒用水冷却，周围装有液氮屏蔽。
用分子束外延生长法，不仅可以制备GaAs单晶膜，还可在较低温度下得到几乎无缺陷的Si单晶膜，并可控制掺杂原子量级杂质分布。广泛用于薄膜生长机理、材料表面结构、杂质掺入等基础研究。
MBE具有以下几个显著特点：
① 在超高真空下进行的干式工艺；混入残余气体等杂质很少，表面非常清洁。
② 低温下生长。如GaAs在500~600°C生长，Si在500°C左右生长。
③ 膜的生长速率慢（一般1~10um/h)，具有极好的膜厚可控性。
④ 可在大面积上得到均匀的外延生长膜。
⑤ 在非热平衡状态下生长，可实现II~VI族半导体的p、n型导电；
⑥ 可严格控制组成和杂质浓度，可制备具有急剧变化的杂质浓度和组成的器件；
⑦ 可进行原位观察，可得到晶体生长的薄膜结晶和表面状态数据，并可立即反馈以实时控制结晶生长。
⑧ 可以在原子量级精度范围内控制膜厚和杂质浓度组成。
⑨ 可用于三元以上的多元膜生长。
MBE系统一般为三室结构：生长室、分析室和基片交换室。还有超高真空机组和控制系统。
ITO薄膜特性及发展方向
杨颖煜 电科1303 201311020318
铟锡氧化物(简称ITO)是In2O2掺Sn的半导体材料，其薄膜由于具有优良的导电性和光学性能，引起了人们的广泛关注．随着薄膜晶体管(TFT)，液晶显示(LCD)，等离子显示(PCD)等高新技术的不断发展，ITO薄膜的产量也在急剧增加，已经形成了一定的市场规模．
ITO的结构与机理
关于ITO的具体结构方式最有代表性的两种模型是能带结构模型和晶体结构模型．
能带结构模型是基于抛物线能带结构假设的基础上对IT0薄膜性能的理解．ITO薄膜性能的光学性质由In2O3立方铁锰矿结构中引入的缺陷决定．导电电子主要来源于氧空位和锡替代原子．不同条件下制备的薄膜有不同的缺陷．由于Burstein--Moss效应，光学能隙加宽，实际吸收光谱向短波方向移动，因而ITO薄膜对可见光的透射率、对红外线的反射率和对紫外线的吸收率都很高．除了紫外带间吸收和远红外的声子吸收，Drude理论与介电常数实际值符合得很好，说明自由电子对ITO薄膜的光学性质有决定性作用．
晶体结构模型是基于In2O3的结晶具有体心立方铁锰矿结构．按照此模型可以计算出ITO靶材中锡含量的理论值．其理论最佳值为c≈10．3114％(wt)，与用磁控溅射法制备的ITO薄膜，在陶瓷靶材中锡含量大约为10％(wt)时，具有最高电导率符合的很好．同时可以计算出薄膜中氧空位和外部锡掺杂同时存在的载流子浓度理论上限为n=1．4749×10^20cm^-3．
关于ITO薄膜的导电机理一般可以归纳为三点：a)氧空位导电；b)In3+格点被Sn4+所置换形成的杂质导电；c)品格间存在填隙原子In而导电.
ITO薄膜的生长机理则与镀膜方法有关,不同的镀膜方法对其性能影响很大．
ITO薄膜的特性
ITO薄膜在可见光(400～800nm)范围内是透明的，其透射率可在90％以上，而其红外光区的反射率也在85％以上．如此高的可见光区透射率和红外光区反射率同低电阻率相结合，使ITO薄膜成为典型的透明导电薄膜材料．在一定意义上讲，将宽禁带的透明绝缘材料1n2O3通过掺锡和形成氧空位转变为透明导电ITO薄膜，这是材料改性研究或功能设计的成功，无论在理论上还是在应用开发上都具有重要意义．
