Techniklexikon

Plasmabeschichtung

Oberflächen- und Grenzflächenphysik, plasma enhanced CVD, PECVD, plasmaangeregte CVD, technisches Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen mit dünnen homogenen Schichten, das mit thermischer Aktivierung etwa seit 1940 eingesetzt wird.

Hohe Prozesstemperaturen bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD, auch atmospheric pressure CVD, APCVD, genannt) und daraus resultierende Beschädigungen des zu beschichtenden Materials und eine Begünstigung von Gasphasenreaktionen haben seit Einführung des CVD-Verfahrens zur Weiterentwicklung in Richtung LPCVD (low pressure CVD) und PECVD geführt. Besonderes Interesse am PECVD erwuchs aus dem Übergang der Beschichtung von Metallen hin zum Beschichten von Silicium im Zeitalter der Mikroelektronik. Dort ist die Abscheidung von Siliciumnitrid (Si₃N₄) von besonderem Interesse. Bei relativ hohen Prozesstemperaturen ab 600 °C wird beim CVD das Si₃N₄ stöchiometrisch aus einem Gemisch von Silan und Ammoniak auf Silicium abgeschieden (3 SiH₄ + 4 NH₃  Si₃N₄ + 12 H₂). Typische Abscheideraten sind 20-100 nm / min. Beim LPCVD kann das stöchiometrische Si₃N₄ aus einem Gemisch von Dichlorsilan und Ammoniak bei niedrigen Drücken (typisch 50 Pa) abgeschieden werden. Jedoch schränken ein hoher Wasserstoffgehalt, eine niedrigere Dichte (2,9-3,1 statt 3,2 g / cm³) und die immer noch hohen Prozesstemperaturen von 700-900 °C die Verwendung des Materials ein. Ein Ausweg aus den hohen Prozesstemperaturen bietet die PECVD, bei der in einem Plasma aus den gasförmigen Reaktanten durch Elektronenstoss chemisch aktive Teilchen erzeugt werden. Dies wird durch induktive oder kapazitive Einkopplung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes in den Gasraum bei Drücken von 1-100 Pa erreicht, in dem eine Glimmentladung gezündet wird. Charakteristisch sind mittlere Elektronenenergien von 1-10 eV und Elektronendichten von 10⁹ bis 10¹² cm^-3. Das »kalte« Plasma erwärmt sich nur geringfügig über Raumtemperatur, die zu beschichtenden Substanzen werden nur unwesentlich erwärmt. Das durch PECVD-Verfahren erzeugte Si₃N₄ ist industriell einsatzfähig, wenn auch z.B. ein relativ hoher H-Gehalt von typisch 10 at.% noch Weiterentwicklungen erforderlich macht.