Lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma

Tính chất của plasma
Bản chất của plasma trong lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma là nó dựa vào động năng của các electron trong plasma để kích hoạt các phản ứng hóa học trong pha khí. Vì plasma là tập hợp các ion, electron, nguyên tử và phân tử trung tính, nên nó trung tính về điện ở cấp độ vĩ mô. Trong plasma, một lượng lớn năng lượng được lưu trữ trong năng lượng bên trong của plasma. Plasma ban đầu được chia thành plasma nóng và plasma lạnh. Trong hệ thống PECVD, đó là plasma lạnh được hình thành do sự phóng điện khí áp suất thấp. Plasma này được tạo ra bởi sự phóng điện áp suất thấp dưới vài trăm Pa là plasma khí không cân bằng.
Bản chất của loại plasma này như sau:
(1) Chuyển động nhiệt không đều của các electron và ion vượt quá chuyển động có hướng của chúng.
(2) Quá trình ion hóa của nó chủ yếu được gây ra bởi sự va chạm của các electron nhanh với các phân tử khí.
(3) Năng lượng chuyển động nhiệt trung bình của electron cao hơn từ 1 đến 2 bậc độ lớn so với năng lượng chuyển động nhiệt của các hạt nặng như phân tử, nguyên tử, ion và gốc tự do.
(4) Năng lượng mất đi sau va chạm của các electron và các hạt nặng có thể được bù đắp từ trường điện giữa các va chạm.
Thật khó để mô tả một plasma không cân bằng nhiệt độ thấp với một số lượng nhỏ các tham số, vì nó là một plasma không cân bằng nhiệt độ thấp trong hệ thống PECVD, trong đó nhiệt độ electron Te không giống với nhiệt độ Tj của các hạt nặng. Trong công nghệ PECVD, chức năng chính của plasma là tạo ra các ion và gốc tự do hoạt động hóa học. Các ion và gốc tự do này phản ứng với các ion, nguyên tử và phân tử khác trong pha khí hoặc gây ra hư hỏng mạng tinh thể và các phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền, và sản lượng vật liệu hoạt động là một hàm của mật độ electron, nồng độ chất phản ứng và hệ số sản lượng. Nói cách khác, sản lượng vật liệu hoạt động phụ thuộc vào cường độ điện trường, áp suất khí và phạm vi tự do trung bình của các hạt tại thời điểm va chạm. Khi khí phản ứng trong plasma phân ly do va chạm của các electron năng lượng cao, rào cản hoạt hóa của phản ứng hóa học có thể bị vượt qua và nhiệt độ của khí phản ứng có thể giảm xuống. Sự khác biệt chính giữa PECVD và CVD thông thường là các nguyên lý nhiệt động lực học của phản ứng hóa học là khác nhau. Sự phân ly của các phân tử khí trong plasma là không chọn lọc, do đó lớp màng được lắng đọng bởi PECVD hoàn toàn khác với CVD thông thường. Thành phần pha được tạo ra bởi PECVD có thể là duy nhất không cân bằng và sự hình thành của nó không còn bị giới hạn bởi động học cân bằng. Lớp màng điển hình nhất là trạng thái vô định hình.

Tính năng PECVD
(1) Nhiệt độ lắng đọng thấp.
(2) Giảm ứng suất bên trong do hệ số giãn nở tuyến tính của màng/vật liệu nền không khớp nhau.
(3) Tốc độ lắng đọng tương đối cao, đặc biệt là lắng đọng ở nhiệt độ thấp, có lợi cho việc thu được màng vô định hình và màng vi tinh thể.

Do quá trình nhiệt độ thấp của PECVD, có thể giảm thiểu hư hỏng do nhiệt, giảm sự khuếch tán lẫn nhau và phản ứng giữa lớp màng và vật liệu nền, v.v., do đó có thể phủ các linh kiện điện tử trước khi sản xuất hoặc do nhu cầu gia công lại. Đối với việc sản xuất các mạch tích hợp quy mô cực lớn (VLSI, ULSI), công nghệ PECVD đã được ứng dụng thành công vào việc hình thành màng silicon nitride (SiN) làm lớp màng bảo vệ cuối cùng sau khi hình thành dây điện cực Al, cũng như làm phẳng và hình thành màng silicon oxide làm lớp cách điện xen kẽ. Là thiết bị màng mỏng, công nghệ PECVD cũng đã được ứng dụng thành công vào việc sản xuất bóng bán dẫn màng mỏng (TFT) cho màn hình LCD, v.v., sử dụng kính làm chất nền trong phương pháp ma trận hoạt động. Với sự phát triển của các mạch tích hợp ở quy mô lớn hơn và tích hợp cao hơn và việc sử dụng rộng rãi các thiết bị bán dẫn hợp chất, PECVD được yêu cầu phải thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn và các quy trình năng lượng electron cao hơn. Để đáp ứng yêu cầu này, các công nghệ có thể tổng hợp các màng phẳng hơn ở nhiệt độ thấp hơn sẽ được phát triển. Các màng SiN và SiOx đã được nghiên cứu rộng rãi bằng cách sử dụng plasma ECR và công nghệ lắng đọng hơi hóa học plasma (PCVD) mới với plasma xoắn ốc, và đã đạt đến mức độ thực tế trong việc sử dụng màng cách điện xen kẽ cho các mạch tích hợp quy mô lớn hơn, v.v.