Deposición química en fase vapor asistida por plasma

La deposición química en fase vapor asistida por plasma ( PECVD ) es un proceso de deposición química en fase vapor que se utiliza para depositar películas delgadas desde un estado gaseoso ( vapor ) a un estado sólido sobre un sustrato . En este proceso intervienen reacciones químicas que tienen lugar tras la creación de un plasma de los gases reactivos. El plasma se genera generalmente mediante una descarga de corriente alterna (CA) de radiofrecuencia (RF) o corriente continua (CC) entre dos electrodos , cuyo espacio se llena con los gases reactivos.

Un plasma es cualquier gas en el que un porcentaje significativo de átomos o moléculas están ionizados. La ionización fraccionada en plasmas utilizados para la deposición y el procesamiento de materiales relacionados varía desde aproximadamente 10⁻⁴ ^en descargas capacitivas típicas hasta un 5-10% en plasmas inductivos de alta densidad. Los plasmas de procesamiento suelen operar a presiones de unos pocos militorr a unos pocos torr , aunque las descargas de arco y los plasmas inductivos pueden encenderse a presión atmosférica. Los plasmas con baja ionización fraccionada son de gran interés para el procesamiento de materiales porque los electrones son tan ligeros, en comparación con los átomos y las moléculas, que el intercambio de energía entre los electrones y el gas neutro es muy ineficiente. Por lo tanto, los electrones pueden mantenerse a temperaturas equivalentes muy altas (decenas de miles de kelvin, equivalentes a varios electronvoltios de energía promedio), mientras que los átomos neutros permanecen a la temperatura ambiente. Estos electrones energéticos pueden inducir muchos procesos que, de otro modo, serían muy improbables a bajas temperaturas, como la disociación de moléculas precursoras y la creación de grandes cantidades de radicales libres.

La segunda ventaja de la deposición en una descarga radica en la mayor movilidad de los electrones en comparación con los iones. En consecuencia, el plasma suele ser más positivo que cualquier objeto con el que esté en contacto, ya que, de lo contrario, un gran flujo de electrones se desplazaría del plasma al objeto. La diferencia de potencial entre el plasma y los objetos en contacto se produce normalmente a través de una fina capa aislante. Los átomos o moléculas ionizados que se difunden hacia el borde de esta capa experimentan una fuerza electrostática y se aceleran hacia la superficie adyacente. De este modo, todas las superficies expuestas al plasma reciben un bombardeo iónico energético. El potencial a través de la capa aislante que rodea un objeto aislado eléctricamente (el potencial flotante) suele ser de tan solo 10-20 V, pero se pueden alcanzar potenciales mucho mayores mediante ajustes en la geometría y configuración del reactor. Por lo tanto, las películas pueden exponerse a un bombardeo iónico energético durante la deposición. Este bombardeo puede aumentar la densidad de la película y ayudar a eliminar contaminantes, mejorando así sus propiedades eléctricas y mecánicas. Cuando se utiliza un plasma de alta densidad, la densidad de iones puede ser lo suficientemente alta como para que se produzca una pulverización catódica significativa de la película depositada; esta pulverización catódica puede emplearse para ayudar a planarizar la película y rellenar zanjas o agujeros.

Una descarga de CC simple se puede crear fácilmente a unos pocos torr entre dos electrodos conductores y puede ser adecuada para la deposición de materiales conductores. Sin embargo, las películas aislantes extinguirán rápidamente esta descarga a medida que se depositan. Es más común excitar una descarga capacitiva aplicando una señal de CA o RF entre un electrodo y las paredes conductoras de una cámara de reactor, o entre dos electrodos conductores cilíndricos enfrentados. Esta última configuración se conoce como reactor de placas paralelas. Frecuencias de unas pocas decenas de Hz a unos pocos miles de Hz producirán plasmas variables en el tiempo que se inician y extinguen repetidamente; frecuencias de decenas de kilohercios a decenas de megahercios dan como resultado descargas razonablemente independientes del tiempo.

Las frecuencias de excitación en el rango de baja frecuencia (LF), generalmente alrededor de 100  kHz, requieren varios cientos de voltios para mantener la descarga. Estos altos voltajes provocan un bombardeo iónico de alta energía sobre las superficies. Los plasmas de alta frecuencia se excitan a menudo a la frecuencia estándar de 13,56  MHz , ampliamente disponible para uso industrial; a altas frecuencias, la corriente de desplazamiento debida al movimiento de la vaina y la dispersión de la misma facilitan la ionización, por lo que voltajes más bajos son suficientes para lograr mayores densidades de plasma. De este modo, se puede ajustar la química y el bombardeo iónico en la deposición cambiando la frecuencia de excitación o utilizando una mezcla de señales de baja y alta frecuencia en un reactor de doble frecuencia. Una potencia de excitación de decenas a cientos de vatios es típica para un electrodo con un diámetro de 200 a 300  mm.

Los plasmas capacitivos suelen estar muy poco ionizados, lo que resulta en una disociación limitada de precursores y bajas tasas de deposición. Se pueden crear plasmas mucho más densos mediante descargas inductivas, en las que una bobina inductiva excitada con una señal de alta frecuencia induce un campo eléctrico dentro de la descarga, acelerando los electrones en el propio plasma en lugar de solo en el borde de la vaina. También se han utilizado reactores de resonancia ciclotrónica de electrones y antenas de ondas helicoidales para crear descargas de alta densidad.  En los reactores modernos se suelen utilizar potencias de excitación de 10 kW o más.

Los plasmas de alta densidad también pueden generarse mediante una descarga de corriente continua en un entorno rico en electrones, obtenido por emisión termoiónica de filamentos calentados. Los voltajes requeridos por la descarga de arco son del orden de unas pocas decenas de voltios , lo que da como resultado iones de baja energía. Este plasma de alta densidad y baja energía se aprovecha para la deposición epitaxial a altas velocidades en reactores de deposición química en fase vapor asistida por plasma de baja energía .

Trabajando en Standard Telecommunication Laboratories (STL), Harlow, Essex, RCG Swann descubrió que la descarga de radiofrecuencia promovía la deposición de compuestos de silicio en la pared del recipiente de vidrio de cuarzo. ^{[ 1 ]} Varias publicaciones internas de STL fueron seguidas en 1964 por solicitudes de patente francesas, ^{[ 2 ]} británicas ^{[ 3 ]} y estadounidenses ^{[ 4 ]} . Un artículo fue publicado en el volumen de agosto de 1965 de Solid State Electronics. ^{[ 5 ]}

Swann supervisaba su prototipo original de equipo de descarga luminiscente en el laboratorio de STL Harlow, Essex, en la década de 1960. Representó un gran avance en la deposición de películas delgadas de silicio amorfo, nitruro de silicio y dióxido de silicio a temperaturas significativamente más bajas que las obtenidas mediante química pirolítica.

La deposición por plasma se utiliza frecuentemente en la fabricación de semiconductores para depositar películas de forma conforme (cubriendo las paredes laterales) y sobre obleas que contienen capas metálicas u otras estructuras sensibles a la temperatura. La deposición química en fase vapor asistida por plasma (PECVD) también ofrece algunas de las velocidades de deposición más rápidas, manteniendo la calidad de la película (como la rugosidad, los defectos o los huecos), en comparación con la deposición por pulverización catódica y la evaporación térmica o por haz de electrones, a menudo a costa de la uniformidad.

• Deposición química en fase vapor asistida por plasma de baja energía