رسوب شیمیایی بخار بهبود یافته با پلاسما

خواص پلاسما
ماهیت پلاسما در رسوب بخار شیمیایی بهبود یافته با پلاسما این است که برای فعال کردن واکنش‌های شیمیایی در فاز گاز، به انرژی جنبشی الکترون‌های موجود در پلاسما متکی است. از آنجایی که پلاسما مجموعه‌ای از یون‌ها، الکترون‌ها، اتم‌های خنثی و مولکول‌ها است، در سطح ماکروسکوپی از نظر الکتریکی خنثی است. در پلاسما، مقدار زیادی انرژی در انرژی داخلی پلاسما ذخیره می‌شود. پلاسما در اصل به پلاسمای داغ و پلاسمای سرد تقسیم می‌شود. در سیستم PECVD، پلاسمای سرد است که توسط تخلیه گاز با فشار کم تشکیل می‌شود. این پلاسما که توسط تخلیه گاز با فشار کم زیر چند صد پاسکال تولید می‌شود، یک پلاسمای گازی غیرتعادلی است.
ماهیت این پلاسما به شرح زیر است:
(1) حرکت حرارتی نامنظم الکترون‌ها و یون‌ها از حرکت جهت‌دار آنها فراتر می‌رود.
(2) فرآیند یونیزاسیون آن عمدتاً ناشی از برخورد الکترون‌های سریع با مولکول‌های گاز است.
(3) میانگین انرژی حرکتی حرارتی الکترون‌ها 1 تا 2 مرتبه بزرگتر از ذرات سنگین مانند مولکول‌ها، اتم‌ها، یون‌ها و رادیکال‌های آزاد است.
(4) اتلاف انرژی پس از برخورد الکترون‌ها و ذرات سنگین را می‌توان از میدان الکتریکی بین برخوردها جبران کرد.
توصیف یک پلاسمای غیرتعادلی دمای پایین با تعداد کمی پارامتر دشوار است، زیرا این یک پلاسمای غیرتعادلی دمای پایین در یک سیستم PECVD است که در آن دمای الکترون Te با دمای Tj ذرات سنگین یکسان نیست. در فناوری PECVD، عملکرد اصلی پلاسما تولید یون‌های شیمیایی فعال و رادیکال‌های آزاد است. این یون‌ها و رادیکال‌های آزاد با سایر یون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها در فاز گازی واکنش می‌دهند یا باعث آسیب شبکه و واکنش‌های شیمیایی روی سطح زیرلایه می‌شوند و بازده ماده فعال تابعی از چگالی الکترون، غلظت واکنش‌دهنده و ضریب بازده است. به عبارت دیگر، بازده ماده فعال به قدرت میدان الکتریکی، فشار گاز و میانگین برد آزاد ذرات در زمان برخورد بستگی دارد. از آنجایی که گاز واکنش‌دهنده در پلاسما به دلیل برخورد الکترون‌های پرانرژی تفکیک می‌شود، می‌توان بر سد فعال‌سازی واکنش شیمیایی غلبه کرد و دمای گاز واکنش‌دهنده را کاهش داد. تفاوت اصلی بین PECVD و CVD معمولی این است که اصول ترمودینامیکی واکنش شیمیایی متفاوت است. تفکیک مولکول‌های گاز در پلاسما غیرانتخابی است، بنابراین لایه فیلم رسوب داده شده توسط PECVD کاملاً با CVD معمولی متفاوت است. ترکیب فاز تولید شده توسط PECVD ممکن است منحصر به فرد غیرتعادلی باشد و تشکیل آن دیگر توسط سینتیک تعادلی محدود نمی‌شود. معمول‌ترین لایه فیلم حالت آمورف است.

ویژگی‌های PECVD
(1) دمای رسوب پایین.
(2) کاهش تنش داخلی ناشی از عدم تطابق ضریب انبساط خطی ماده غشاء/پایه.
(3) نرخ رسوب‌گذاری نسبتاً بالا است، به خصوص رسوب‌گذاری در دمای پایین، که برای به دست آوردن لایه‌های آمورف و میکروکریستالی مفید است.

با توجه به فرآیند دمای پایین PECVD، آسیب حرارتی می‌تواند کاهش یابد، انتشار متقابل و واکنش بین لایه فیلم و ماده زیرلایه کاهش می‌یابد و غیره، به طوری که قطعات الکترونیکی می‌توانند قبل از ساخت یا به دلیل نیاز به دوباره‌کاری، پوشش داده شوند. برای ساخت مدارهای مجتمع در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI، ULSI)، فناوری PECVD با موفقیت در تشکیل لایه نیترید سیلیکون (SiN) به عنوان لایه محافظ نهایی پس از تشکیل سیم‌کشی الکترود آلومینیوم و همچنین مسطح کردن و تشکیل لایه اکسید سیلیکون به عنوان عایق بین لایه‌ای اعمال می‌شود. به عنوان دستگاه‌های لایه نازک، فناوری PECVD همچنین با موفقیت در ساخت ترانزیستورهای لایه نازک (TFT) برای نمایشگرهای LCD و غیره، با استفاده از شیشه به عنوان زیرلایه در روش ماتریس فعال، به کار گرفته شده است. با توسعه مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگتر و ادغام بالاتر و استفاده گسترده از دستگاه‌های نیمه‌هادی مرکب، لازم است PECVD در فرآیندهای دمای پایین‌تر و انرژی الکترونی بالاتر انجام شود. برای برآورده کردن این نیاز، فناوری‌هایی که می‌توانند لایه‌های با تختی بالاتر را در دماهای پایین‌تر سنتز کنند، باید توسعه یابند. لایه‌های SiN و SiOx به طور گسترده با استفاده از پلاسمای ECR و فناوری جدید رسوب شیمیایی بخار پلاسما (PCVD) با پلاسمای مارپیچی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و به سطح عملی در استفاده از لایه‌های عایق بین لایه‌ای برای مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگتر و غیره رسیده‌اند.