플라즈마 강화 화학 기상 증착

플라즈마 특성
플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)에서 플라즈마의 특성은 플라즈마 내 전자의 운동 에너지를 이용하여 기체상의 화학 반응을 활성화한다는 것입니다. 플라즈마는 이온, 전자, 중성 원자 및 분자의 집합체이므로 거시적 수준에서는 전기적으로 중성입니다. 플라즈마에는 막대한 양의 에너지가 플라즈마 내부 에너지로 저장되어 있습니다. 플라즈마는 일반적으로 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 나뉘는데, PECVD 시스템에서는 저압 기체 방전에 의해 생성되는 저온 플라즈마를 사용합니다. 수백 Pa 이하의 저압 방전에 의해 생성된 이 플라즈마는 비평형 기체 플라즈마입니다.
이 플라즈마의 특성은 다음과 같습니다.
(1) 전자와 이온의 불규칙적인 열 운동은 방향성 운동을 초과합니다.
(2) 이온화 과정은 주로 고속 전자와 기체 분자의 충돌에 의해 발생합니다.
(3) 전자의 평균 열 운동 에너지는 분자, 원자, 이온 및 자유 라디칼과 같은 무거운 입자의 평균 열 운동 에너지보다 1~2배 더 높습니다.
(4) 전자와 무거운 입자의 충돌 후 에너지 손실은 충돌 사이의 전기장에서 보상될 수 있습니다.
PECVD 시스템에서 저온 비평형 플라즈마는 전자 온도 Te와 고에너지 입자의 온도 Tj가 일치하지 않기 때문에, 적은 수의 매개변수로 특성을 규명하기 어렵습니다. PECVD 기술에서 플라즈마의 주요 기능은 화학적으로 활성인 이온과 자유 라디칼을 생성하는 것입니다. 이러한 이온과 자유 라디칼은 기체상의 다른 이온, 원자, 분자와 반응하거나 기판 표면에서 격자 손상 및 화학 반응을 일으키며, 활성 물질의 수율은 전자 밀도, 반응물 농도, 수율 계수의 함수입니다. 즉, 활성 물질의 수율은 전기장 세기, 기체 압력, 그리고 충돌 시 입자의 평균 자유 이동 거리에 따라 달라집니다. 플라즈마 내의 반응 기체가 고에너지 전자의 충돌로 인해 해리됨에 따라 화학 반응의 활성화 에너지 장벽이 낮아지고 반응 기체의 온도가 감소할 수 있습니다. PECVD와 기존 CVD의 가장 큰 차이점은 화학 반응의 열역학적 원리가 다르다는 것입니다. 플라즈마 내 기체 분자의 해리는 비선택적이므로 PECVD로 증착된 박막은 기존 CVD로 증착된 박막과는 완전히 다릅니다. PECVD로 생성된 박막은 비평형적인 상 조성을 가질 수 있으며, 평형 반응 속도론에 의해 제한되지 않습니다. 가장 대표적인 박막은 비정질 상태입니다.

PECVD 특징
(1) 낮은 증착 온도.
(2) 막/기반재료의 선팽창계수 불일치로 인한 내부응력을 감소시킨다.
(3) 증착 속도가 상대적으로 높으며, 특히 저온 증착의 경우 비정질 및 미세결정질 박막을 얻는 데 유리합니다.

PECVD는 저온 공정이기 때문에 열 손상을 줄이고, 박막층과 기판 사이의 상호 확산 및 반응을 최소화할 수 있어 전자 부품 제조 전이나 재작업 시에도 코팅이 가능합니다. 초고집적회로(VLSI, ULSI) 제조에 있어 PECVD 기술은 알루미늄 전극 배선 형성 후 최종 보호막인 질화규소(SiN) 박막 형성, 평탄화 및 층간 절연막인 산화규소 박막 형성 등에 성공적으로 적용되고 있습니다. 박막 소자 분야에서도 PECVD 기술은 활성 매트릭스 방식에서 유리를 기판으로 사용하는 LCD 디스플레이용 박막 트랜지스터(TFT) 제조 등에 성공적으로 적용되고 있습니다. 집적회로의 규모 확대 및 고집적화, 그리고 화합물 반도체 소자의 광범위한 사용에 따라 PECVD 공정은 더욱 저온, 고에너지 전자 조건에서 수행되어야 할 필요성이 대두되고 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해서는 저온에서 고평탄도 박막을 합성할 수 있는 기술 개발이 필수적입니다. SiN 및 SiOx 박막은 ECR 플라즈마와 나선형 플라즈마를 이용한 새로운 플라즈마 화학 기상 증착(PCVD) 기술을 사용하여 광범위하게 연구되어 왔으며, 대규모 집적 회로 등의 층간 절연막으로 사용될 수 있는 실용적인 수준에 도달했습니다.