การตกตะกอนไอสารเคมีที่เสริมด้วยพลาสมา

คุณสมบัติของพลาสมา
ธรรมชาติของพลาสมาในกระบวนการตกตะกอนไอเคมีเสริมด้วยพลาสมา (PECVD) คือ พลาสมาอาศัยพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนในพลาสมาเพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีในเฟสแก๊ส เนื่องจากพลาสมาเป็นกลุ่มของไอออน อิเล็กตรอน อะตอมที่เป็นกลาง และโมเลกุล จึงเป็นกลางทางไฟฟ้าในระดับมหภาค ในพลาสมา พลังงานจำนวนมากถูกเก็บไว้ในรูปของพลังงานภายใน พลาสมาแบ่งออกเป็นพลาสมาร้อนและพลาสมาเย็น ในระบบ PECVD นั้นเป็นพลาสมาเย็นซึ่งเกิดจากการปล่อยประจุแก๊สที่ความดันต่ำ พลาสมาที่เกิดจากการปล่อยประจุที่ความดันต่ำกว่าไม่กี่ร้อยปาสคาลนี้เป็นพลาสมาแก๊สที่ไม่สมดุล
ลักษณะของพลาสมานี้มีดังต่อไปนี้:
(1)การเคลื่อนที่ทางความร้อนที่ไม่ปกติของอิเล็กตรอนและไอออนเกินกว่าการเคลื่อนที่แบบมีทิศทาง
(2) กระบวนการแตกตัวเป็นไอออนส่วนใหญ่เกิดจากการชนกันของอิเล็กตรอนความเร็วสูงกับโมเลกุลของแก๊ส
(3) พลังงานการเคลื่อนที่ความร้อนเฉลี่ยของอิเล็กตรอนสูงกว่าของอนุภาคหนัก เช่น โมเลกุล อะตอม ไอออน และอนุมูลอิสระ ถึง 1 ถึง 2 อันดับ
(4) การสูญเสียพลังงานหลังจากการชนกันของอิเล็กตรอนและอนุภาคหนักสามารถชดเชยได้จากสนามไฟฟ้าระหว่างการชนกัน
เป็นการยากที่จะอธิบายลักษณะของพลาสมาที่ไม่สมดุลที่อุณหภูมิต่ำด้วยพารามิเตอร์จำนวนน้อย เนื่องจากเป็นพลาสมาที่ไม่สมดุลที่อุณหภูมิต่ำในระบบ PECVD ซึ่งอุณหภูมิอิเล็กตรอน Te ไม่เท่ากับอุณหภูมิ Tj ของอนุภาคหนัก ในเทคโนโลยี PECVD หน้าที่หลักของพลาสมาคือการผลิตไอออนและอนุมูลอิสระที่มีฤทธิ์ทางเคมี ไอออนและอนุมูลอิสระเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับไอออน อะตอม และโมเลกุลอื่นๆ ในเฟสแก๊ส หรือทำให้เกิดความเสียหายต่อโครงสร้างผลึกและปฏิกิริยาเคมีบนพื้นผิวของวัสดุตั้งต้น และผลผลิตของวัสดุที่มีฤทธิ์ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ความเข้มข้นของสารตั้งต้น และสัมประสิทธิ์ผลผลิต กล่าวอีกนัยหนึ่ง ผลผลิตของวัสดุที่มีฤทธิ์ขึ้นอยู่กับความแรงของสนามไฟฟ้า ความดันแก๊ส และระยะการเคลื่อนที่เฉลี่ยของอนุภาค ณ เวลาที่เกิดการชนกัน เมื่อแก๊สสารตั้งต้นในพลาสมาแตกตัวเนื่องจากการชนกันของอิเล็กตรอนพลังงานสูง อุปสรรคการกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีสามารถถูกเอาชนะได้ และอุณหภูมิของแก๊สสารตั้งต้นสามารถลดลงได้ ความแตกต่างหลักระหว่าง PECVD และ CVD แบบดั้งเดิมคือหลักการทางเทอร์โมไดนามิกของปฏิกิริยาเคมีแตกต่างกัน การแตกตัวของโมเลกุลก๊าซในพลาสมานั้นไม่จำเพาะเจาะจง ดังนั้นชั้นฟิล์มที่ได้จากการตกตะกอนด้วย PECVD จึงแตกต่างจาก CVD แบบดั้งเดิมอย่างสิ้นเชิง องค์ประกอบของเฟสที่ผลิตโดย PECVD อาจไม่สมดุลและมีลักษณะเฉพาะ และการก่อตัวของมันจะไม่ถูกจำกัดด้วยจลนศาสตร์สมดุลอีกต่อไป ชั้นฟิล์มที่พบได้ทั่วไปที่สุดคือสถานะอสัณฐาน

คุณสมบัติของ PECVD
(1) อุณหภูมิการตกตะกอนต่ำ
(2) ลดความเครียดภายในที่เกิดจากความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของเมมเบรน/วัสดุฐาน
(3) อัตราการตกตะกอนค่อนข้างสูง โดยเฉพาะการตกตะกอนที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งเอื้อต่อการได้รับฟิล์มอสัณฐานและไมโครคริสตัลไลน์

เนื่องจากกระบวนการ PECVD ที่อุณหภูมิต่ำ ความเสียหายจากความร้อนจึงลดลง การแพร่กระจายและการเกิดปฏิกิริยาระหว่างชั้นฟิล์มและวัสดุพื้นผิวลดลง ฯลฯ ทำให้สามารถเคลือบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้ทั้งก่อนการผลิตหรือเพื่อการแก้ไขงาน ในการผลิตวงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษ (VLSI, ULSI) เทคโนโลยี PECVD ได้ถูกนำมาใช้ในการสร้างฟิล์มซิลิคอนไนไตรด์ (SiN) เป็นฟิล์มป้องกันขั้นสุดท้ายหลังจากการสร้างสายอิเล็กโทรดอลูมิเนียม รวมถึงการปรับพื้นผิวและการสร้างฟิล์มซิลิคอนออกไซด์เป็นฉนวนระหว่างชั้น สำหรับอุปกรณ์ฟิล์มบาง เทคโนโลยี PECVD ยังถูกนำไปใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFT) สำหรับจอแสดงผล LCD ฯลฯ โดยใช้กระจกเป็นพื้นผิวในวิธีการเมทริกซ์แอคทีฟ ด้วยการพัฒนาวงจรรวมให้มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีการรวมวงจรสูงขึ้น รวมถึงการใช้งานอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแบบผสมอย่างแพร่หลาย ทำให้จำเป็นต้องดำเนินการ PECVD ที่อุณหภูมิต่ำลงและพลังงานอิเล็กตรอนสูงขึ้น เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ จึงจำเป็นต้องพัฒนาเทคโนโลยีที่สามารถสังเคราะห์ฟิล์มที่มีความเรียบสูงขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลง ฟิล์ม SiN และ SiOx ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางโดยใช้พลาสมา ECR และเทคโนโลยีการตกตะกอนไอสารเคมีด้วยพลาสมา (PCVD) แบบใหม่ที่มีพลาสมาแบบเกลียว และได้บรรลุระดับที่ใช้งานได้จริงในการใช้เป็นฟิล์มฉนวนระหว่างชั้นสำหรับวงจรรวมขนาดใหญ่ เป็นต้น