Адсорбция радикалов и ионов

Вследствие высокого коэффициента аккомодации (приспособления) радикалы легко адсорбируются на поверхности подложки, где подвергаются различным воздействиям, включая электронную и ионную бомбардировку, взаимодействуют с другими адсорбированными частицами, образуют новые связи и, таким образом, обеспечивают условия для образования зародышей.

Перегруппировка адсорбированных атомов

Диффузия адсорбированного атома на поверхности представляет важную стадию формирования и роста пленок. Одновременно с этим происходит и десорбция продуктов реакции с поверхности. Скорости десорбции и диффузии атомов сильно зависят от температуры подложки, причем при большей температуре получаются пленки с меньшей концентрацией захваченных продуктов реакции, с большей плотностью и более однородным составом.

Химические процессы на поверхности, в частности процессы десорбции, могут стимулироваться ионной бомбардировкой и в значительно меньшей степени — электронной и фотонной бомбардировками. Характерной особенностью пленок, получаемых плазмохимическим методом, является нестехиометричность их состава, что существенно расширяет их возможности.

Рассмотрим в качестве примера осаждение нитрида кремния Si₃N₄ в условиях плазмы тлеющего разряда. Обычно используются исходные реагенты в виде силана и аммиака или азота, и реакция протекает следующим образом:

Реакция протекает многоступенчато.

Схема установки

Схема установки для плазмохимического осаждения представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема установки реактора с параллельным расположением электродов

Эта конструкция включает плоские параллельные электроды. Верхний электрод подключен к высокочастотному генератору, обеспечивающему напряжение до 1 кВ с частотой до 13,5 МГц. Нижний заземленный электрод нагревается до температуры 100-400 °С резистивным нагревателем или инфракрасными источниками излучения высокой интенсивности. На этом электроде размещены пластины. Радиально к центру системы направляются потоки газа. Обычно газ вводят через крайние области камеры и выводят из её центральной части, хотя возможно и противоположное направление газового потока. Газовая смесь откачивается вентилятором Рутса, расположенным за механическим насосом. В рабочей камере обеспечивается давление 13—6,5·10² Па, температура пластин 250—300 °С. При обеспечении этих условий между электродами возбуждается ВЧ-разряд, в плазме которого образуются электроны с энергией 1—10 эВ, достаточной для того, чтобы вызвать диссоциацию и ионизацию большинства газовых молекул, участвующих в плазмохимических реакциях. Поскольку подвижность электронов в 10³ раз выше подвижности ионов, любая поверхность, помещенная в плазму, получает большой отрицательный заряд и приобретает отрицательный потенциал по отношению к плазме. Это способствует бомбардировке электродов и подложек не только потоком нейтральных возбужденных атомов и молекул, радикалов и фотонов, но и положительных ионов, что способствует активизации плазмохимических процессов и повышению скорости формирования пленок. Такие реакторы используются для плазмохимического осаждения двуокиси или нитрида кремния. Его главному достоинству – низкой температуре осаждения – сопутствует три следующих недостатка. Емкость реактора ограничена, в частности в него нельзя помещать подложки большого диаметра. Подложки должны загружаться и разгружаться вручную, и, кроме того, возможно их загрязнение падающим сверху рыхлым осадком с ненагретых частей камеры.

Рисунок 3.2 – Схема установки с горячими стенками

В плазмохимическом реакторе с горячими стенками (рис. 3.2) устранены многие недостатки, присущие реактору с радиальным распределением газового потока. В таких реакторах процесс осаждения протекает в кварцевой трубе, нагреваемой в печи. Подложки устанавливаются вертикально, параллельно газовому потоку. Набор электродов, на которых крепятся подложки, представляет собой длинные графитовые или алюминиевый полоски. Сменные полосковые электроды подсоединены к источнику напряжения, создающему тлеющий разряд между электродами. Достоинства подобных реакторов заключаются в их большой емкости и низкой температуре осаждения. Однако при установке набора электродов в реакторе возможно образование отдельных частиц, которые в виде пылинок попадают на поверхность подложек. Кроме того, загрузка и выгрузка подложек в таких реакторах должна проводиться вручную.