خصائص البلازما
تعتمد طبيعة البلازما في ترسيب البخار الكيميائي المُحسَّن بالبلازما على الطاقة الحركية للإلكترونات في البلازما لتنشيط التفاعلات الكيميائية في الطور الغازي. ولأن البلازما عبارة عن مجموعة من الأيونات والإلكترونات والذرات والجزيئات المتعادلة، فهي متعادلة كهربائيًا على المستوى العياني. في البلازما، تُخزَّن كمية كبيرة من الطاقة في الطاقة الداخلية للبلازما. تنقسم البلازما في الأصل إلى بلازما ساخنة وبلازما باردة. في نظام PECVD، تتكون البلازما الباردة من تفريغ غازي منخفض الضغط. تُعتبر هذه البلازما الناتجة عن تفريغ منخفض الضغط أقل من بضع مئات باسكال بلازما غازية غير متوازنة.
طبيعة هذا البلازما هي كما يلي:
(1) الحركة الحرارية غير المنتظمة للإلكترونات والأيونات تتجاوز حركتها الموجهة.
(2) عملية تأينه تحدث بشكل رئيسي نتيجة اصطدام الإلكترونات السريعة بجزيئات الغاز.
(3) متوسط طاقة الحركة الحرارية للإلكترونات أعلى بمقدار 1 إلى 2 من متوسط طاقة الحركة الحرارية للجسيمات الثقيلة، مثل الجزيئات والذرات والأيونات والجذور الحرة.
(4) يمكن تعويض فقدان الطاقة بعد اصطدام الإلكترونات والجسيمات الثقيلة من خلال المجال الكهربائي بين الاصطدامات.
من الصعب توصيف بلازما غير متوازنة منخفضة الحرارة ذات عدد قليل من المعاملات، لأنها بلازما غير متوازنة منخفضة الحرارة في نظام PECVD، حيث تكون درجة حرارة الإلكترون Te هي نفسها درجة حرارة Tj للجسيمات الثقيلة. في تقنية PECVD، تتمثل الوظيفة الأساسية للبلازما في إنتاج أيونات نشطة كيميائيًا وجذور حرة. تتفاعل هذه الأيونات والجذور الحرة مع أيونات وذرات وجزيئات أخرى في الطور الغازي أو تسبب تلفًا في الشبكة وتفاعلات كيميائية على سطح الركيزة، ويعتمد إنتاج المادة الفعالة على كثافة الإلكترون وتركيز المتفاعل ومعامل الإنتاج. بمعنى آخر، يعتمد إنتاج المادة الفعالة على شدة المجال الكهربائي وضغط الغاز ومتوسط المدى الحر للجسيمات وقت الاصطدام. عندما يتفكك غاز المتفاعل في البلازما بسبب اصطدام الإلكترونات عالية الطاقة، يمكن التغلب على حاجز تنشيط التفاعل الكيميائي ويمكن خفض درجة حرارة غاز المتفاعل. الفرق الرئيسي بين PECVD وCVD التقليدي هو اختلاف المبادئ الديناميكية الحرارية للتفاعل الكيميائي. تفكك جزيئات الغاز في البلازما غير انتقائي، لذا تختلف طبقة الغشاء المترسبة بواسطة PECVD تمامًا عن طبقة الغشاء المترسبة التقليدية. قد يكون تركيب الطور الناتج عن PECVD فريدًا في حالة عدم التوازن، ولم يعد تكوينه محدودًا بحركية التوازن. طبقة الغشاء الأكثر شيوعًا هي الحالة غير المتبلورة.
ميزات PECVD
(1) درجة حرارة الترسيب المنخفضة.
(2) تقليل الإجهاد الداخلي الناتج عن عدم تطابق معامل التمدد الخطي لمادة الغشاء/القاعدة.
(3) معدل الترسيب مرتفع نسبيًا، وخاصة الترسيب في درجات حرارة منخفضة، مما يساعد على الحصول على أغشية غير متبلورة وميكروبلورية.
بفضل عملية PECVD منخفضة الحرارة، يُمكن تقليل الضرر الحراري، وتقليل الانتشار والتفاعل المتبادل بين طبقة الغشاء ومادة الركيزة، وما إلى ذلك، مما يُتيح طلاء المكونات الإلكترونية قبل تصنيعها أو عند الحاجة إلى إعادة تصنيعها. في تصنيع الدوائر المتكاملة فائقة الاتساع (VLSI وULSI)، تُطبّق تقنية PECVD بنجاح في تشكيل غشاء نيتريد السيليكون (SiN) كغشاء واقٍ نهائي بعد تشكيل أسلاك أقطاب الألومنيوم، بالإضافة إلى تسطيح وتشكيل غشاء أكسيد السيليكون كعازل بين الطبقات. كما طُبّقت تقنية PECVD بنجاح في تصنيع أجهزة الأغشية الرقيقة، في تصنيع ترانزستورات الأغشية الرقيقة (TFTs) لشاشات LCD، وغيرها، باستخدام الزجاج كركيزة في طريقة المصفوفة النشطة. مع تطور الدوائر المتكاملة إلى نطاق أوسع وتكامل أعلى، والاستخدام الواسع لأجهزة أشباه الموصلات المركبة، أصبح من الضروري إجراء PECVD في درجات حرارة أقل وعمليات تتطلب طاقة إلكترونية أعلى. لتلبية هذا المطلب، سيتم تطوير تقنيات قادرة على تصنيع أغشية ذات تسطيح أعلى في درجات حرارة منخفضة. وقد دُرست أغشية SiN وSiOx على نطاق واسع باستخدام بلازما ECR وتقنية جديدة للترسيب الكيميائي للبخار البلازمي (PCVD) باستخدام بلازما حلزونية، ووصلت إلى مستوى عملي في استخدام أغشية العزل بين الطبقات للدوائر المتكاملة واسعة النطاق، وغيرها.
وقت النشر: ٨ نوفمبر ٢٠٢٢