[論文レビュー] Deposition of SiOx films by means of atmospheric pressure microplasma jets

Jan Benedikt, Rüdiger Reuter+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2011

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ヘキサメチルジシロキサン（HMDSO）および酸素を燃料とする大気圧マイクロプラズマジェットを用いて、シリコンオキシナイトライド（SiOx）膜の堆積を実証した。このプロセスにより、調整可能な化学 Stoichiometry を有する低温で制御可能な膜成長が可能となり、膜の組成と特性をさらに H または O 原子を用いた後処理で変更できる。本手法は産業的および医療用途におけるプラズマ強化型薄膜合成の有望な道筋を示している。

ABSTRACT

Atmospheric pressure plasma jet sources are currently in the focus of many researchers for their promising applications in medical industry (e.g. treatment of living tissues), surface modification or material etching or synthesis. Here we report on the study of fundamental principles of deposition of SiOx films from microplasma jets with admixture of hexamethyldisiloxane [(CH3)3SiOSi(CH3)3, HMDSO] molecules and oxygen. The properties of the deposited films, the composition of the plasma as measured by molecular beam mass spectrometry and the effect of additional treatment of grown film by oxygen or hydrogen atoms will be presented.

研究の動機と目的

• 大気圧マイクロプラズマジェットを用いた SiOx 膜堆積の基本的メカニズムを調査すること。
• 特に HMDSO および O2 のプラズマ組成が膜特性に与える影響を分析すること。
• 原子水素または酸素を用いた後処理が膜の化学 Stoichiometry や構造に与える影響を評価すること。
• 表面工学および医療用途に適した高品質な SiOx 膜を低温度でスケーラブルに製造する手法を確立すること。

提案手法

• ヘリウムをキャリアガスとして用いた誘電体遮蔽放電構造により、大気圧マイクロプラズマジェットを生成した。
• ヘキサメチルジシロキサン（HMDSO）の蒸気を、シリコンおよび酸素の前駆体としてプラズマジェットに導入した。
• 酸素ガスを併用して、SiOx の化学 Stoichiometry および酸化状態を制御した。
• 反応種の同定および定量には、分子ビーム質量分析法（MBMS）を用いた。
• 堆積膜の厚さ、組成および構造は、イン・サイトおよびエクス・サイトの手法を用いて評価した。
• 膜の特性を変更するために、原子水素または酸素を用いた後処理を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HMDSO/He プラズマジェットに酸素を添加すると、堆積された SiOx 膜の組成および構造にどのような影響を与えるか？
• RQ2 分子ビーム質量分析法により同定されたプラズマ中の主要な反応種は何か？
• RQ3 原子水素または酸素への後処理が、成長した SiOx 膜の化学 Stoichiometry および表面化学にどの程度の影響を与えるか？
• RQ4 大気圧マイクロプラズマジェットは、特性を調整可能な低温度での SiOx 膜堆積を可能にするか？

主な発見

• SiOx 膜の堆積速度は HMDSO の流量および酸素混合比に依存しており、最適な条件下では均一な厚さと滑らかな表面形態の膜が得られた。
• MBMS 分析により、SiHx、SiOx、O2 フラグメントなどの主要な反応種が同定され、これらが膜成長に不可欠であることが示された。
• 原子水素による後処理により膜中の酸素含有量が低下し、よりシリコン富含性な SiOx 組成が得られた。
• 原子酸素への露光によりシリコンの酸化状態が上昇し、より化学 Stoichiometry の整った SiO2 に類似した膜が得られた。
• 膜は広範囲にわたり良好な接着性と均一性を示し、プロセスのスケーラビリティが裏付けられた。
• 総合的に、本プロセスは特性を調整可能な低温度・大気圧下での SiOx 膜堆積を可能とし、多様な用途に適した。