プラズマ強化化学気相堆積

プラズマの特性
プラズマ強化化学気相成長法におけるプラズマの性質は、プラズマ中の電子の運動エネルギーを利用して気相中の化学反応を活性化することにある。プラズマはイオン、電子、中性原子、分子の集合体であるため、巨視的なレベルでは電気的に中性である。プラズマ内部には、大量のエネルギーが蓄えられている。プラズマはもともと高温プラズマと低温プラズマに分けられる。PECVDシステムでは、低圧ガス放電によって生成される低温プラズマが用いられる。数百Pa以下の低圧放電によって生成されるこのプラズマは、非平衡ガスプラズマである。
このプラズマの性質は以下のとおりです。
（１）電子とイオンの不規則な熱運動は、それらの方向性のある運動を超える。
（２）その電離過程は主に高速電子とガス分子の衝突によって引き起こされる。
（３）電子の平均熱運動エネルギーは、分子、原子、イオン、フリーラジカルなどの重い粒子のそれよりも１〜２桁高い。
（４）電子と重粒子の衝突後のエネルギー損失は、衝突間の電場によって補償される。
PECVDシステムにおける低温非平衡プラズマは、電子温度Teと重粒子の温度Tjが異なるため、少数のパラメータで低温非平衡プラズマを特徴づけることは困難です。PECVD技術において、プラズマの主な機能は、化学的に活性なイオンとフリーラジカルを生成することです。これらのイオンとフリーラジカルは、気相中の他のイオン、原子、分子と反応したり、基板表面で格子損傷や化学反応を引き起こしたりします。活性物質の収率は、電子密度、反応物濃度、収率係数に依存します。言い換えれば、活性物質の収率は、電界強度、ガス圧、衝突時の粒子の平均自由行程に依存します。プラズマ中の反応ガスは、高エネルギー電子の衝突によって解離するため、化学反応の活性化障壁を克服し、反応ガスの温度を下げることができます。 PECVDと従来のCVDの主な違いは、化学反応の熱力学的原理が異なる点にある。プラズマ中のガス分子の解離は非選択的であるため、PECVDで成膜される膜層は従来のCVDで成膜されるものとは全く異なる。PECVDで生成される相組成は非平衡状態となる可能性があり、その形成は平衡速度論に制約されない。最も典型的な膜層は非晶質状態である。

PECVDの特徴
（１）低い成膜温度。
（２）膜／基材の線膨張係数の不一致によって生じる内部応力を低減する。
（３）成膜速度が比較的高く、特に低温成膜では、非晶質膜や微結晶膜を得るのに適している。

PECVDは低温プロセスであるため、熱損傷を低減でき、膜層と基板材料間の相互拡散や反応を低減できるため、電子部品の製造前や再加工が必要な場合にもコーティングが可能です。超大規模集積回路（VLSI、ULSI）の製造においては、PECVD技術は、Al電極配線形成後の最終保護膜として窒化ケイ素（SiN）膜の形成、および層間絶縁体としての酸化ケイ素膜の平坦化と形成に成功裏に適用されています。薄膜デバイスとしては、PECVD技術は、アクティブマトリクス方式でガラスを基板として用いるLCDディスプレイ用薄膜トランジスタ（TFT）などの製造にも成功裏に適用されています。集積回路の大規模化と高集積化、および化合物半導体デバイスの普及に伴い、PECVDはより低温でより高い電子エネルギーのプロセスで実行されることが求められています。この要求を満たすために、より低温でより高い平坦度を持つ膜を合成できる技術の開発が求められています。 SiN膜とSiOx膜は、ECRプラズマやらせん状プラズマを用いた新しいプラズマ化学気相成長法（PCVD）技術を用いて広範囲に研究されており、大規模集積回路などの層間絶縁膜として実用化レベルに達している。