Właściwości plazmy
W procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą, plazma wykorzystuje energię kinetyczną elektronów w plazmie do aktywacji reakcji chemicznych w fazie gazowej. Ponieważ plazma składa się z jonów, elektronów, neutralnych atomów i cząsteczek, jest elektrycznie neutralna na poziomie makroskopowym. W plazmie duża ilość energii jest magazynowana w energii wewnętrznej plazmy. Plazma jest pierwotnie podzielona na plazmę gorącą i plazmę zimną. W systemie PECVD występuje plazma zimna, która powstaje w wyniku wyładowania gazu pod niskim ciśnieniem. Plazma ta, wytwarzana w wyniku wyładowania pod niskim ciśnieniem poniżej kilkuset Pa, jest nierównowagową plazmą gazową.
Natura tej plazmy jest następująca:
(1)Nieregularny ruch termiczny elektronów i jonów przekracza ich ruch kierunkowy.
(2) Proces jonizacji jest głównie spowodowany zderzeniami szybkich elektronów z cząsteczkami gazu.
(3) Średnia energia ruchu cieplnego elektronów jest od 1 do 2 rzędów wielkości wyższa niż energia ruchu ciężkich cząstek, takich jak cząsteczki, atomy, jony i wolne rodniki.
(4) Stratę energii powstałą w wyniku zderzenia elektronów i ciężkich cząstek można skompensować dzięki polu elektrycznemu występującemu pomiędzy zderzeniami.
Trudno jest scharakteryzować niskotemperaturową plazmę nierównowagową przy użyciu niewielkiej liczby parametrów, ponieważ jest to niskotemperaturowa plazma nierównowagowa w układzie PECVD, w której temperatura elektronów Te nie jest taka sama jak temperatura Tj ciężkich cząstek. W technologii PECVD podstawową funkcją plazmy jest wytwarzanie chemicznie aktywnych jonów i wolnych rodników. Te jony i wolne rodniki reagują z innymi jonami, atomami i cząsteczkami w fazie gazowej lub powodują uszkodzenia sieci krystalicznej i reakcje chemiczne na powierzchni podłoża, a wydajność materiału aktywnego jest funkcją gęstości elektronowej, stężenia reagentów i współczynnika wydajności. Innymi słowy, wydajność materiału aktywnego zależy od natężenia pola elektrycznego, ciśnienia gazu i średniego swobodnego zasięgu cząstek w momencie zderzenia. Ponieważ gaz reakcyjny w plazmie dysocjuje w wyniku zderzenia elektronów o wysokiej energii, bariera aktywacji reakcji chemicznej może zostać pokonana, a temperatura gazu reakcyjnego może zostać obniżona. Główną różnicą między PECVD a konwencjonalnym CVD jest odmienny termodynamiczny charakter reakcji chemicznej. Dysocjacja cząsteczek gazu w plazmie jest nieselektywna, dlatego warstwa osadzona metodą PECVD całkowicie różni się od konwencjonalnego CVD. Skład fazowy uzyskany metodą PECVD może być unikatowy w warunkach nierównowagowych, a jego powstawanie nie jest już ograniczone kinetyką stanu równowagi. Najbardziej typową warstwą osadzoną w tej metodzie jest stan amorficzny.
Funkcje PECVD
(1) Niska temperatura osadzania.
(2) Zmniejszenie naprężeń wewnętrznych spowodowanych niedopasowaniem współczynnika rozszerzalności liniowej materiału membrany/podstawy.
(3) Szybkość osadzania jest stosunkowo wysoka, zwłaszcza w przypadku osadzania w niskiej temperaturze, co sprzyja uzyskiwaniu warstw amorficznych i mikrokrystalicznych.
Dzięki niskotemperaturowemu procesowi PECVD można ograniczyć uszkodzenia termiczne, wzajemną dyfuzję i reakcję między warstwą folii a materiałem podłoża itp., dzięki czemu elementy elektroniczne mogą być powlekane zarówno przed ich wyprodukowaniem, jak i w przypadku konieczności przeróbek. W produkcji układów scalonych o ultra-dużej skali (VLSI, ULSI) technologia PECVD jest z powodzeniem stosowana do formowania warstwy azotku krzemu (SiN) jako ostatecznej warstwy ochronnej po uformowaniu okablowania elektrody Al, a także do spłaszczania i formowania warstwy tlenku krzemu jako izolacji międzywarstwowej. W przypadku urządzeń cienkowarstwowych technologia PECVD została również z powodzeniem zastosowana do produkcji tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) do wyświetlaczy LCD itp., wykorzystując szkło jako podłoże w metodzie aktywnej matrycy. Wraz z rozwojem układów scalonych o większej skali i wyższym stopniu integracji oraz powszechnym zastosowaniem złożonych urządzeń półprzewodnikowych, wymagane jest przeprowadzanie PECVD w niższych temperaturach i procesach o wyższej energii elektronowej. Aby sprostać temu wymogowi, należy opracować technologie umożliwiające syntezę warstw o większej płaskości w niższych temperaturach. Warstwy SiN i SiOx były szeroko badane z wykorzystaniem plazmy ECR oraz nowej technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej (PCVD) z wykorzystaniem helikalnej plazmy. Osiągnęły one poziom praktyczny w zakresie stosowania międzywarstwowych warstw izolacyjnych w układach scalonych o większej skali itp.
Czas publikacji: 08-11-2022