Свойства плазмы
Природа плазмы в плазмохимическом осаждении из газовой фазы (PECVD) заключается в том, что она использует кинетическую энергию электронов в плазме для активации химических реакций в газовой фазе. Поскольку плазма представляет собой совокупность ионов, электронов, нейтральных атомов и молекул, на макроскопическом уровне она электрически нейтральна. В плазме большое количество энергии запасается во внутренней энергии плазмы. Первоначально плазма делилась на горячую и холодную. В системе PECVD образуется холодная плазма, которая формируется при низком давлении газового разряда. Эта плазма, создаваемая низкотемпературным разрядом ниже нескольких сотен Па, представляет собой неравновесную газовую плазму.
Природа этой плазмы такова:
(1) Нерегулярное тепловое движение электронов и ионов превышает их направленное движение.
(2) Процесс его ионизации в основном вызван столкновением быстрых электронов с молекулами газа.
(3) Средняя тепловая энергия движения электронов на 1–2 порядка выше, чем у тяжелых частиц, таких как молекулы, атомы, ионы и свободные радикалы.
(4) Потери энергии после столкновения электронов и тяжелых частиц могут быть компенсированы электрическим полем между столкновениями.
Сложно охарактеризовать низкотемпературную неравновесную плазму с помощью небольшого числа параметров, поскольку это низкотемпературная неравновесная плазма в системе PECVD, где температура электронов Te не совпадает с температурой Tj тяжелых частиц. В технологии PECVD основная функция плазмы заключается в образовании химически активных ионов и свободных радикалов. Эти ионы и свободные радикалы реагируют с другими ионами, атомами и молекулами в газовой фазе или вызывают повреждение кристаллической решетки и химические реакции на поверхности подложки, а выход активного материала является функцией плотности электронов, концентрации реагентов и коэффициента выхода. Другими словами, выход активного материала зависит от напряженности электрического поля, давления газа и средней длины свободного пробега частиц в момент столкновения. Поскольку газообразные реагенты в плазме диссоциируют из-за столкновения высокоэнергетических электронов, активационный барьер химической реакции может быть преодолен, и температура газообразных реагентов может быть снижена. Главное отличие PECVD от традиционного CVD заключается в различиях термодинамических принципов химической реакции. Диссоциация молекул газа в плазме неселективна, поэтому пленочный слой, осажденный методом PECVD, полностью отличается от слоя, полученного традиционным методом CVD. Фазовый состав, образующийся при PECVD, может быть уникальным в неравновесном состоянии, и его формирование больше не ограничивается равновесной кинетикой. Наиболее типичным пленочным слоем является аморфное состояние.
Характеристики PECVD
(1) Низкая температура осаждения.
(2) Снизить внутреннее напряжение, вызванное несоответствием коэффициента линейного расширения мембраны/основного материала.
(3) Скорость осаждения относительно высока, особенно при низкотемпературном осаждении, что способствует получению аморфных и микрокристаллических пленок.
Благодаря низкотемпературному процессу PECVD, можно уменьшить термические повреждения, снизить взаимную диффузию и реакцию между пленочным слоем и материалом подложки и т. д., что позволяет наносить покрытие на электронные компоненты как до их изготовления, так и в случае необходимости доработки. Для производства сверхбольших интегральных схем (VLSI, ULSI) технология PECVD успешно применяется для формирования пленки нитрида кремния (SiN) в качестве конечной защитной пленки после формирования алюминиевых электродов, а также для выравнивания и формирования пленки оксида кремния в качестве межслойной изоляции. В качестве тонкопленочных устройств технология PECVD также успешно применяется для производства тонкопленочных транзисторов (TFT) для ЖК-дисплеев и т. д., используя стекло в качестве подложки в методе активной матрицы. С развитием интегральных схем до больших размеров и более высокой степени интеграции, а также широким использованием полупроводниковых устройств, требуется проведение процесса PECVD при более низких температурах и более высокой энергии электронов. Для удовлетворения этого требования необходимо разработать технологии, позволяющие синтезировать пленки с более высокой плоскостностью при более низких температурах. Пленки SiN и SiOx были всесторонне изучены с использованием плазмы ECR и новой технологии плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PCVD) с использованием спиральной плазмы и достигли практического уровня в применении в качестве межслойных изоляционных пленок для крупномасштабных интегральных схем и т. д.
Дата публикации: 08.11.2022