輔助PECVD的磁場(chǎng)模擬計算與分析

　　本文介紹了磁場(chǎng)輔助PECVD 工作原理，磁場(chǎng)對沉積薄膜的影響。通過(guò)對PECVD 中磁場(chǎng)對帶電粒子的約束作用、等離子體能量轉換頻率分析，建立輔助磁場(chǎng)模型并進(jìn)行數值計算。在現有輔助磁場(chǎng)基礎上改進(jìn)設計適用于PECVD 設備的螺線(xiàn)管磁場(chǎng)系統，得到不同物理條件下磁場(chǎng)分布規律。進(jìn)而確定螺線(xiàn)管結構參數得到均勻分布的磁場(chǎng)，為輔助PECVD 磁場(chǎng)的應用提供了一種方法。

　　等離子體增強化學(xué)氣相沉積作為一種傳統的制膜技術(shù)，兼備了化學(xué)氣相沉積和等離子體高活化能、低反應溫度的優(yōu)點(diǎn)。但在制備光、電薄膜方面,PECVD 技術(shù)還存在著(zhù)一些亟待解決的問(wèn)題，如得到的薄膜電阻率較高，阻值分布不均，表面晶粒尺寸較大，粒子間間隙大，這些問(wèn)題嚴重影響了薄膜的性能。目前，在主要研究了沉積溫度、電源功率、氣體流量等參數對薄膜的影響之后，又研究了磁場(chǎng)對等離子體的約束及在薄膜沉積中的作用，實(shí)驗結果表明磁場(chǎng)輔助PECVD 沉積薄膜，對薄膜的均勻性，沉積速率以及電學(xué)性能都有顯著(zhù)的提高。

　　文章描述了磁場(chǎng)在PECVD 中制備薄膜的作用，分析等離子體在正交電磁場(chǎng)中的運動(dòng)特性。根據螺線(xiàn)管磁場(chǎng)特點(diǎn)，建立輔助磁場(chǎng)模型并進(jìn)行數值計算，對PECVD 輔助磁場(chǎng)系統進(jìn)行改進(jìn)，得到均勻磁場(chǎng)，并對產(chǎn)生磁場(chǎng)分布作了進(jìn)一步模擬分析。

1、PECVD工作原理

　　等離子體的產(chǎn)生方法有很多種，比如二級直流輝光放電，射頻輝光放電，微波激發(fā)等離子體等。本文所研究的是電容耦合射頻PECVD，其原理為在低氣壓下，反應氣體受到射頻電源的激發(fā)，產(chǎn)生電離并形成由帶電的電子和離子組成的等離子體，反應腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉變成離子外，還吸收能量并形成大量的活性基團；這些活性基團和等離子體，電勢高于反應腔體中接地電極電勢，將被沉積在接地電極上的基片表面，形成功能薄膜。沉積不同的薄膜需要不同的反應氣體，產(chǎn)生的等離子體成分也有很大差別。

2、輔助PECVD 磁場(chǎng)模擬計算與分析

2.1 磁場(chǎng)輔助PECVD 原理

　　文獻報道了磁場(chǎng)對等離子體影響的實(shí)驗結果。實(shí)驗中發(fā)現磁場(chǎng)能在一定程度上影響等離子體中粒子之間的碰撞過(guò)程，以及影響帶電粒子的運動(dòng)和空間位置。沿磁感應強度矢量方向的等離子體特性，與非磁化等離子體的特性相同，因此施加與電場(chǎng)方向平行的磁場(chǎng)幾乎不起作用，曾有人設計實(shí)驗裝置施加了與電場(chǎng)方向垂直即與電極板平行的勻強磁場(chǎng)，如圖1 所示。

圖1 磁場(chǎng)輔助PECVD 系統結構示意圖

　　該裝置為磁場(chǎng)輔助等離子體增強化學(xué)氣相沉積系統， 射頻源為SY500W 射頻功率源和SP- II 型功率匹配器, 等離子體的激發(fā)頻率為13.56 MHz。上下極板的面積均為: 300 mm×150 mm,兩電極板之間的距離為25 mm。為了獲得較低壓強使用了一臺分子泵和一臺旋片泵組成的真空系統。圓筒型反應室內部為容性平板電極，產(chǎn)生垂直于極板的交變電場(chǎng)，外部纏繞螺旋線(xiàn)圈產(chǎn)生與平板平行即與電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)。正交電磁場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 正交電磁場(chǎng)中的磁化等離子體

　　在圖2 正交電磁場(chǎng)中，帶電粒子做拉莫爾運動(dòng)（ Larmor movement）。由于電子荷質(zhì)比e/m=－1.75881962×1011 庫侖/ 千克，比單價(jià)氫離子的荷質(zhì)比約大2000 倍，因此電子在兩電極間做整體振蕩，而離子由于質(zhì)量很大振幅很小，所以沒(méi)有激烈的振蕩，相對電子的振蕩，可以認為離子基本不動(dòng)。在磁場(chǎng)的約束下，電子在電極板間的往復運動(dòng)，變?yōu)槁菪�回轉運動(dòng)，行程大大增加從而增大了與中性粒子的碰撞頻率，增大了等離子體密度。即活性粒子密度增大，同時(shí)增強了等離子體的化學(xué)活性，從而增強等離子體中反應物質(zhì)的化學(xué)反應。因為具有一定能量的離子密度的增加，增強了附著(zhù)原子在表面的遷移能力，從而產(chǎn)生表面缺陷并改變表面化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)表面的化學(xué)反應和擴散，同時(shí)通過(guò)產(chǎn)生晶體的缺陷、吸附“激活”的物質(zhì)、注入高能的轟擊物質(zhì)、產(chǎn)生電子放電位置和表面粒子的反射注入等方式來(lái)促進(jìn)形核點(diǎn)的增加，這樣就導致了薄膜沉積速率增大。另外電子的回旋震蕩運動(dòng)增大與中性氣體的碰撞幾率，所以在較低的氣壓下也能使氣體產(chǎn)生輝光放電，得到等離子體。

3、結論

　　磁場(chǎng)輔助PECVD 中磁場(chǎng)的產(chǎn)生可以利用螺線(xiàn)管產(chǎn)生輔助磁場(chǎng)，均勻纏繞和簡(jiǎn)單的在兩端增加纏繞均不能得到均勻磁場(chǎng)，利用錐形的增加纏繞方式，得到了很好的效果。

　　運用ansoft 軟件對磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬計算，獲得了不同物理條件下的磁場(chǎng)分布規律，為磁場(chǎng)在等離子體化學(xué)氣相沉積中的應用提供了理論依據。