Ιδιότητες πλάσματος
Η φύση του πλάσματος στην ενισχυμένη με πλάσμα χημική εναπόθεση ατμών είναι ότι βασίζεται στην κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων στο πλάσμα για να ενεργοποιήσει τις χημικές αντιδράσεις στην αέρια φάση. Δεδομένου ότι το πλάσμα είναι μια συλλογή ιόντων, ηλεκτρονίων, ουδέτερων ατόμων και μορίων, είναι ηλεκτρικά ουδέτερο σε μακροσκοπικό επίπεδο. Σε ένα πλάσμα, μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας αποθηκεύεται στην εσωτερική ενέργεια του πλάσματος. Το πλάσμα αρχικά διαιρείται σε θερμό πλάσμα και ψυχρό πλάσμα. Στο σύστημα PECVD είναι ψυχρό πλάσμα που σχηματίζεται από εκκένωση αερίου χαμηλής πίεσης. Αυτό το πλάσμα που παράγεται από εκκένωση χαμηλής πίεσης κάτω από μερικές εκατοντάδες Pa είναι ένα πλάσμα αερίου εκτός ισορροπίας.
Η φύση αυτού του πλάσματος έχει ως εξής:
(1) Η ακανόνιστη θερμική κίνηση των ηλεκτρονίων και των ιόντων υπερβαίνει την κατευθυνόμενη κίνησή τους.
(2) Η διαδικασία ιονισμού του προκαλείται κυρίως από τη σύγκρουση ταχέων ηλεκτρονίων με μόρια αερίου.
(3) Η μέση θερμική ενέργεια κίνησης των ηλεκτρονίων είναι 1 έως 2 τάξεις μεγέθους υψηλότερη από αυτή των βαρέων σωματιδίων, όπως μόρια, άτομα, ιόντα και ελεύθερες ρίζες.
(4) Η απώλεια ενέργειας μετά τη σύγκρουση ηλεκτρονίων και βαρέων σωματιδίων μπορεί να αντισταθμιστεί από το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των συγκρούσεων.
Είναι δύσκολο να χαρακτηριστεί ένα πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας εκτός ισορροπίας με μικρό αριθμό παραμέτρων, επειδή πρόκειται για πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας εκτός ισορροπίας σε ένα σύστημα PECVD, όπου η θερμοκρασία ηλεκτρονίων Te δεν είναι η ίδια με τη θερμοκρασία Tj των βαρέων σωματιδίων. Στην τεχνολογία PECVD, η κύρια λειτουργία του πλάσματος είναι η παραγωγή χημικά ενεργών ιόντων και ελεύθερων ριζών. Αυτά τα ιόντα και οι ελεύθερες ρίζες αντιδρούν με άλλα ιόντα, άτομα και μόρια στην αέρια φάση ή προκαλούν βλάβη στο πλέγμα και χημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια του υποστρώματος, και η απόδοση του ενεργού υλικού είναι συνάρτηση της πυκνότητας ηλεκτρονίων, της συγκέντρωσης αντιδρώντος και του συντελεστή απόδοσης. Με άλλα λόγια, η απόδοση του ενεργού υλικού εξαρτάται από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, την πίεση του αερίου και τη μέση ελεύθερη εμβέλεια των σωματιδίων κατά τη στιγμή της σύγκρουσης. Καθώς το αντιδρών αέριο στο πλάσμα διασπάται λόγω της σύγκρουσης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, το φράγμα ενεργοποίησης της χημικής αντίδρασης μπορεί να ξεπεραστεί και η θερμοκρασία του αντιδρώντος αερίου μπορεί να μειωθεί. Η κύρια διαφορά μεταξύ PECVD και συμβατικής CVD είναι ότι οι θερμοδυναμικές αρχές της χημικής αντίδρασης είναι διαφορετικές. Η διάσπαση των μορίων αερίου στο πλάσμα είναι μη επιλεκτική, επομένως το στρώμα μεμβράνης που εναποτίθεται από την PECVD είναι εντελώς διαφορετικό από το συμβατικό CVD. Η σύνθεση φάσης που παράγεται από την PECVD μπορεί να είναι μοναδική εκτός ισορροπίας και ο σχηματισμός της δεν περιορίζεται πλέον από την κινητική ισορροπίας. Το πιο τυπικό στρώμα μεμβράνης είναι η άμορφη κατάσταση.
Χαρακτηριστικά PECVD
(1) Χαμηλή θερμοκρασία εναπόθεσης.
(2) Μείωση της εσωτερικής τάσης που προκαλείται από την αναντιστοιχία του συντελεστή γραμμικής διαστολής του υλικού μεμβράνης/βάσης.
(3) Ο ρυθμός εναπόθεσης είναι σχετικά υψηλός, ειδικά η εναπόθεση σε χαμηλή θερμοκρασία, γεγονός που ευνοεί την απόκτηση άμορφων και μικροκρυσταλλικών μεμβρανών.
Λόγω της διαδικασίας χαμηλής θερμοκρασίας του PECVD, μπορεί να μειωθεί η θερμική βλάβη, η αμοιβαία διάχυση και η αντίδραση μεταξύ του στρώματος μεμβράνης και του υλικού υποστρώματος κ.λπ., έτσι ώστε τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα να μπορούν να επικαλυφθούν τόσο πριν από την κατασκευή τους όσο και λόγω της ανάγκης για επανακατασκευή. Για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας (VLSI, ULSI), η τεχνολογία PECVD εφαρμόζεται με επιτυχία στον σχηματισμό μεμβράνης νιτριδίου του πυριτίου (SiN) ως τελικής προστατευτικής μεμβράνης μετά τον σχηματισμό της καλωδίωσης ηλεκτροδίων Al, καθώς και στην επιπέδωση και τον σχηματισμό μεμβράνης οξειδίου του πυριτίου ως μόνωση ενδιάμεσων στρώσεων. Ως συσκευές λεπτής μεμβράνης, η τεχνολογία PECVD έχει επίσης εφαρμοστεί με επιτυχία στην κατασκευή τρανζίστορ λεπτής μεμβράνης (TFT) για οθόνες LCD κ.λπ., χρησιμοποιώντας γυαλί ως υπόστρωμα στη μέθοδο ενεργού μήτρας. Με την ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε μεγαλύτερη κλίμακα και υψηλότερη ολοκλήρωση και την ευρεία χρήση σύνθετων ημιαγωγών συσκευών, το PECVD απαιτείται να εκτελείται σε διαδικασίες χαμηλότερης θερμοκρασίας και υψηλότερης ενέργειας ηλεκτρονίων. Για την ικανοποίηση αυτής της απαίτησης, πρέπει να αναπτυχθούν τεχνολογίες που μπορούν να συνθέσουν μεμβράνες υψηλότερης επιπεδότητας σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Οι μεμβράνες SiN και SiOx έχουν μελετηθεί εκτενώς χρησιμοποιώντας πλάσμα ECR και μια νέα τεχνολογία εναπόθεσης χημικών ατμών με πλάσμα (PCVD) με ελικοειδές πλάσμα και έχουν φτάσει σε πρακτικό επίπεδο στη χρήση μεμβρανών μόνωσης μεταξύ στρώσεων για ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγαλύτερης κλίμακας κ.λπ.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Νοεμβρίου 2022