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等离子体增强原子层沉积过程中的高能离子及其在调控材料性能中的作用

DOI：10.1088/1361-6595/aaf2c7 期刊：Plasma Sources Science and Technology 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:21:21
摘要： 等离子体增强原子层沉积（PEALD）在具有精确生长控制的纳米级薄膜合成中占据了重要地位。除了PEALD中高活性中性自由基对薄膜生长的公认贡献外，等离子体曝光过程中产生的离子也起着重要作用。本工作报道了在商用200毫米远程感应耦合等离子体ALD系统中，使用射频衬底偏压时，通常用于PEALD的等离子体（O2、H2、N2）在接地和偏置衬底上曝光期间的离子能量和通量特性的测量。利用栅控减速场能量分析仪获得了IFEDFs，并研究了变化的ICP功率、压力和偏压条件对这三种反应性等离子体的离子能量和通量特性的影响?；诖覫FEDFs导出的能量和通量参数，研究了使用这些等离子体沉积的三种材料示例——TiOx、HfNx和SiNx的特性。材料特性根据每个ALD周期内传递给生长薄膜的总离子能量剂量进行分析，该剂量是平均离子能量、总离子通量和等离子体曝光时间的乘积。材料特性对离子能量剂量的响应因控制方式不同而异：通过射频衬底偏压增强离子能量，或在不施加偏压的情况下通过增加等离子体曝光时间。这表明材料特性受离子能量是否超过与物理原子位移或PEALD期间离子诱导化学反应激活相关的能量势垒的影响。此外，一旦通过射频衬底偏压将离子能量增强超过这些阈值势垒，材料特性就成为增强离子能量及其在等离子体曝光期间增强持续时间的函数。这些结果加深了对高能离子与随后材料特性之间关系的理解，例如通过提供PEALD期间基于离子能量剂量的材料特性能量图。这证明了在PEALD期间测量和控制离子能量和通量特性如何为合成具有所需材料特性的纳米级薄膜提供平台。
作者： Tahsin Faraz，Karsten Arts，Saurabh Karwal，Harm C.M. Knoops，Wilhelmus M.M. Kessels
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究等离子体增强原子层沉积过程中高能离子的作用及其对材料性能调控的影响。

研究成果

该研究得出结论，在等离子体增强原子层沉积（PEALD）过程中控制离子能量和通量特性可显著影响材料性质。通过射频基片偏压将离子能量提升至特定阈值以上，能够调控纳米薄膜的属性。研究结果揭示了高能离子与材料性质间的关联，为合成具有特定特性的薄膜提供了理论依据。

研究不足

该研究的局限性在于所使用的等离子体原子层沉积（ALD）系统的特定条件，包括所研究的感应耦合等离子体（ICP）功率范围、压力及衬底偏压条件。研究结果可能无法直接适用于其他等离子体系统或沉积条件。

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