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2021

等離子體化學氣相沉積技術(shù)

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1．技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵

等離子體化學氣相沉積技術(shù)原理是利用低溫等離子體（非平衡等離子體）作能量源，工件置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電（或另加發(fā)熱體）使工件升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在工件表面形成固態(tài)薄膜。它包括了化學氣相沉積的一般技術(shù)，又有輝光放電的強化作用。

由于粒子間的碰撞，產(chǎn)生劇烈的氣體電離，使反應(yīng)氣體受到活化。同時發(fā)生陰極濺射效應(yīng)，為沉積薄膜提供了清潔的活性高的表面。因而整個沉積過程與熱激活的過程有顯著不同。這兩方面的作用，在提高涂層結(jié)合力，降低沉積溫度，加快反應(yīng)速度諸方面都創(chuàng)造了有利條件。

等離子體化學氣相沉積技術(shù)按等離子體能量源方式劃分，有直流輝光放電、射頻放電和微波等離子體放電等。隨著頻率的增加，等離子體強化CVD過程的作用越明顯，形成化合物的溫度越低。

PCVD的工藝裝置由沉積室、反應(yīng)物輸送系統(tǒng)、放電電源、真空系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成。氣源需用氣體凈化器除去水分和其它雜質(zhì)，經(jīng)調(diào)節(jié)裝置得到所需要的流量，再與源物質(zhì)同時被送入沉積室，在溫度和等離子體激活等條件下，得到所需的產(chǎn)物，并沉積在工件或基片表面。所以，PCVD工藝既包括等離子體物理過程，又包括等離子體化學反應(yīng)過程。

PCVD工藝參數(shù)包括微觀參數(shù)和宏觀參數(shù)。微觀參數(shù)如電子能量、等離子體密度及分布函數(shù)、反應(yīng)氣體的離解度等。宏觀參數(shù)對于真空系統(tǒng)有，氣體種類、配比、流量、壓強、抽速等；對于基體來說有，沉積溫度、相對位置、導電狀態(tài)等；對于等離子體有，放電種類、頻率、電極結(jié)構(gòu)、輸入功率、電流密度、離子溫度等。以上這些參數(shù)都是相互聯(lián)系、相互影響的。

1.直流等離子體化學氣相沉積（DC-PCVD）

DC-PCVD是利用高壓直流負偏壓（-1～-5kV），使低壓反應(yīng)氣體發(fā)生輝光放電產(chǎn)生等離子體，等離子體在電場作用下轟擊工件，并在工件表面沉積成膜。

直流等離子體比較簡單，工件處于陰極電位，受其形狀、大小的影響，使電場分布不均勻，在陰極附近壓降，電場強度高，正因為有這一特點，所以化學反應(yīng)也集中在陰極工件表面，加強了沉積效率，避免了反應(yīng)物質(zhì)在器壁上的消耗。缺點是不導電的基體或薄膜不能應(yīng)用。因為陰極上電荷的積累會排斥進一步的沉積，并會造成積累放電，破壞正常的反應(yīng)。DC-PCVD裝置如圖1。

該設(shè)備由于工件僅靠離子和粒子轟擊提供能量，在進行產(chǎn)品的批量生產(chǎn)時就不可避免的暴露出一些缺點：

1）各工藝參數(shù)在沉積時相互影響、互相制約、無法獨立控制，使工藝調(diào)整和控制困難。

2）不同工件在離子轟擊加熱過程中，由于其表面積不同，則產(chǎn)生溫差，同時，沉積室內(nèi)壁是陽極，溫度低，使其附近的工件與中心部分的工件也有溫差。

3）當裝爐量大，工件體積大或沉積溫度要求較高，需要離子能量較大時，直流輝光放電的工作區(qū)域在異常輝光放電的較強段，很容易過渡到弧光放電，引起電源打弧、跳閘、工藝過程不能正常進行。

為了解決以上問題，有的學者采用雙陰極輝光放電裝置，增加一個陰極作為輔助陰極，雖然有效果，但還不夠完善。

目前，國內(nèi)外研究者更多的是采用輔助加外熱方式沉積技術(shù)來解決以上問題，改變了單純依靠離子轟擊加熱而帶來的弊端，將反應(yīng)時等離子體放電強度與放電工件溫度分離，從而提高了工藝的穩(wěn)定性和重復性

2025-04-18