Свойства плазмы
Природа плазмы в плазменно-усиленном химическом осаждении из паровой фазы заключается в том, что она полагается на кинетическую энергию электронов в плазме для активации химических реакций в газовой фазе. Поскольку плазма представляет собой совокупность ионов, электронов, нейтральных атомов и молекул, она электрически нейтральна на макроскопическом уровне. В плазме большое количество энергии хранится во внутренней энергии плазмы. Плазма изначально делится на горячую плазму и холодную плазму. В системе PECVD это холодная плазма, которая образуется при газовом разряде низкого давления. Эта плазма, полученная при разряде низкого давления ниже нескольких сотен Па, является неравновесной газовой плазмой.
Природа этой плазмы следующая:
(1) Неравномерное тепловое движение электронов и ионов превышает их направленное движение.
(2) Процесс ионизации в основном обусловлен столкновением быстрых электронов с молекулами газа.
(3) Средняя энергия теплового движения электронов на 1–2 порядка выше, чем у тяжелых частиц, таких как молекулы, атомы, ионы и свободные радикалы.
(4) Потерю энергии после столкновения электронов и тяжелых частиц можно компенсировать за счет электрического поля между столкновениями.
Трудно охарактеризовать низкотемпературную неравновесную плазму с небольшим числом параметров, поскольку это низкотемпературная неравновесная плазма в системе PECVD, где электронная температура Te не совпадает с температурой Tj тяжелых частиц. В технологии PECVD основная функция плазмы заключается в производстве химически активных ионов и свободных радикалов. Эти ионы и свободные радикалы реагируют с другими ионами, атомами и молекулами в газовой фазе или вызывают повреждение решетки и химические реакции на поверхности подложки, а выход активного материала является функцией электронной плотности, концентрации реагента и коэффициента выхода. Другими словами, выход активного материала зависит от напряженности электрического поля, давления газа и среднего свободного пробега частиц во время столкновения. Поскольку газ-реагент в плазме диссоциирует из-за столкновения высокоэнергетических электронов, активационный барьер химической реакции может быть преодолен, а температура газа-реагента может быть снижена. Главное отличие PECVD от обычного CVD заключается в том, что термодинамические принципы химической реакции различны. Диссоциация молекул газа в плазме неселективна, поэтому слой пленки, нанесенный методом PECVD, полностью отличается от обычного CVD. Фазовый состав, полученный методом PECVD, может быть неравновесно уникальным, и его формирование больше не ограничивается равновесной кинетикой. Наиболее типичный слой пленки находится в аморфном состоянии.
Особенности PECVD
(1) Низкая температура осаждения.
(2) Уменьшить внутреннее напряжение, вызванное несоответствием коэффициента линейного расширения материала мембраны/основы.
(3) Скорость осаждения относительно высока, особенно при низкотемпературном осаждении, что способствует получению аморфных и микрокристаллических пленок.
Благодаря низкотемпературному процессу PECVD можно уменьшить термические повреждения, уменьшить взаимную диффузию и реакцию между слоем пленки и материалом подложки и т. д., так что электронные компоненты можно покрывать как до их изготовления, так и из-за необходимости доработки. Для изготовления сверхбольших интегральных схем (VLSI, ULSI) технология PECVD успешно применяется для формирования пленки нитрида кремния (SiN) в качестве окончательной защитной пленки после формирования проводки электрода Al, а также для выравнивания и формирования пленки оксида кремния в качестве межслойной изоляции. В качестве тонкопленочных устройств технология PECVD также успешно применяется для изготовления тонкопленочных транзисторов (TFT) для ЖК-дисплеев и т. д., используя стекло в качестве подложки в методе активной матрицы. С развитием интегральных схем в сторону большего масштаба и более высокой интеграции и широким использованием устройств на основе полупроводниковых соединений требуется, чтобы PECVD выполнялся при более низких температурах и процессах с более высокой энергией электронов. Для удовлетворения этого требования необходимо разработать технологии, которые могут синтезировать пленки с более высокой плоскостностью при более низких температурах. Пленки SiN и SiOx были тщательно изучены с использованием плазмы ECR и новой технологии плазменно-химического осаждения из паровой фазы (PCVD) со спиральной плазмой и достигли практического уровня использования в качестве межслойных изоляционных пленок для интегральных схем большего размера и т. д.
Время публикации: 08.11.2022