什么是等離子增強原子層沉積 ALD?

與傳統(tǒng)的熱驅(qū)動 ALD 方法相比，使用等離子體物質(zhì)作為反應(yīng)物可以在處理條件上提供更大的自由度，并且可以適應(yīng)更廣泛的材料特性。

等離子輔助 ALD 是一種能量增強型 ALD 方法，目前正日益普及。在等離子 ALD(也稱為等離子輔助 ALD 或等離子增強 ALD)中，表面在反應(yīng)步驟中暴露于等離子體產(chǎn)生的物質(zhì)中。

等離子體 ALD 的工作原理是什么？

在標準 ALD 中，前驅(qū)體氣體的交變脈沖被引入基板表面。每個脈沖通過化學(xué)吸附形成單層材料。該過程是重復(fù)的，允許對層厚和成分進行精確控制。需要注意的是，在某些情況下，使用標準 ALD 可能會導(dǎo)致沉積速率變慢或難以實現(xiàn)某些材料特性。

 當(dāng)?shù)入x子體源被引入 ALD 工藝時，它有助于激活前驅(qū)體分子并增強表面反應(yīng)，從而提高沉積速率并改善薄膜性能。

使用什么類型的等離子體?

等離子體增強原子層沉積(PE-ALD)中使用的典型等離子體是在 02、N2和 H2 反應(yīng)氣體或其組合中產(chǎn)生的等離子體。此類等離子體可以取代 H20 或 NH3 中典型的配體交換反應(yīng)，并可用于沉積金屬氧化物、金屬氮化物和金屬薄膜。

據(jù)報道，在NH3和H20等氣體或蒸汽中會產(chǎn)生等離子體，其中等離子體和熱ALD表面反應(yīng)也可能同時發(fā)生。與熱ALD和其他氣相沉積技術(shù)相比，等離子體輔助ALD在超薄膜沉積方面具有諸多優(yōu)勢。

在等離子輔助 ALD 工藝過程中，等離子體物質(zhì)在沉積表面的高反應(yīng)性使得處理條件更加自由，材料特性范圍也更加廣泛。

等離子體增強原子層沉積 （ALD） 的優(yōu)勢是什么？

以下是等離子體增強 ALD （PE-ALD） 的一些主要優(yōu)勢：

? 在更低的基底溫度下進行沉積

由于等離子體物質(zhì)將高反應(yīng)性傳遞到沉積表面，因此在基板上驅(qū)動 ALD 表面化學(xué)反應(yīng)所需的熱能較少。等離子體物質(zhì)產(chǎn)生的反應(yīng)性不僅由反應(yīng)性等離子體自由基提供，還由等離子體鞘層中加速的離子的動能決定。

? 改善材料性能

等離子輔助 ALD 在薄膜密度、雜質(zhì)含量和電子特性方面比熱 ALD 具有更好的材料特性，由等離子體帶來了更高的反應(yīng)活性。

? 增加了前軀體和材料的選擇

反應(yīng)性等離子體自由基被輸送至沉積表面，從而可以使用具有較高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的前驅(qū)體。PE-ALD 方法在沉積金屬氨化物和金屬等非氧化材料時也能產(chǎn)生溶液。

此外，等離子輔助 ALD工藝還可以沉積更多的材料系統(tǒng)，例如，元素金屬 Ti和 Ta，等離子輔助 ALD 允許選擇更泛的基底材料，特別是那些對溫度敏感的材料。

? 化學(xué)計量和薄膜成分的良好控制

由于等離子體中的非平衡條件，可以在沉積表面引發(fā)非熱驅(qū)動反應(yīng)，從而更好地控制 ALD 表面化學(xué)和薄膜中摻入的物質(zhì)。

因此，等離子體的使用提供了額外的變量來調(diào)整薄膜的化學(xué)計量和成分。這包括:

·等離子電源

·工作壓力

·等離子體暴露時間

·將其他氣體混入等離子體

·偏置電壓

例如，通過將 N2 添加到由 02 產(chǎn)生的等離子體中，可以相對簡單地將 N 原子摻入氧化物薄膜中。但是如果通過嚴格的熱驅(qū)動 ALD 反應(yīng)很難實現(xiàn)薄膜材料的這種受控摻雜。

? 沉積速率提高

在某些情況下，由于等離子體的高反應(yīng)性，等離子體物質(zhì)會產(chǎn)生更高密度的反應(yīng)表面位點。因此，這可以帶來更高的單次循環(huán)生長值。

等離子體可以快速開啟和關(guān)閉。這使得等離子體反應(yīng)物能夠快速脈沖，并減少吹掃時間(取決于氣體在反應(yīng)器中的停留時間)。

縮短吹掃時間對于低溫(室溫至150°)下的金屬氧化物 ALD 尤為重要，因為在熱 ALD 的情況下，H20 的吹掃需要極長的吹掃時間，因此循環(huán)時間也較長，更短的循環(huán)時間對原子層沉積(ALD)反應(yīng)器的凈產(chǎn)量有顯著的影響。較高的等離子體反應(yīng)性也具有優(yōu)勢，因為與同等的熱原子層沉積工藝相比，等離子體輔助原子層沉積的成核延遲更短。

? 處理功能更加多樣

ALD反應(yīng)器配備等離子源，可對沉積表面、沉積膜和反應(yīng)器壁進行多種其他原位處理。等離子體可用于基材預(yù)處理(例如，采用 02等離子體進行氧化，采用 NH3.或 N2等離子體進行氨化)、基材清潔、沉積后處理以及反應(yīng)器壁的調(diào)節(jié)和清潔。

等離子體增強原子層沉積 （ALD） 應(yīng)用于各種行業(yè)，包括半導(dǎo)體制造、太陽能電池、顯示技術(shù)、微電子和高級涂層。當(dāng)需要高質(zhì)量的薄膜時，以及必須精確控制薄膜特性和成分時，它特別有用。