lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma

Tính chất của plasma
Bản chất của plasma trong phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) 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 trung tính và phân tử, nên nó trung tính về điện ở cấp độ vĩ mô. Trong plasma, một lượng lớn năng lượng được lưu trữ trong năng lượng nội tại của plasma. Plasma ban đầu được chia thành plasma nóng và plasma lạnh. Trong hệ thống PECVD, đó là plasma lạnh được hình thành bởi sự phóng điện khí ở áp suất thấp. Plasma được tạo ra bởi sự phóng điện ở áp suất thấp dưới vài trăm Pa là một plasma khí không cân bằng.
Bản chất của plasma này như sau:
(1) Chuyển động nhiệt không đều của electron và ion vượt quá chuyển động có hướng của chúng.
(2) Quá trình ion hóa của nó chủ yếu do 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 các hạt nặng như phân tử, nguyên tử, ion và gốc tự do.
(4) Sự mất năng lượng sau va chạm giữa các electron và các hạt nặng có thể được bù đắp bằng điện trường giữa các va chạm.
Việc mô tả đặc tính của plasma không cân bằng ở nhiệt độ thấp với một số ít thông số là rất khó, bởi vì đó là plasma không cân bằng ở nhiệt độ thấp trong hệ thống PECVD, nơi 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 tính 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 hại mạng tinh thể và các phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền, và hiệu suất vật liệu hoạt tính là một hàm của mật độ electron, nồng độ chất phản ứng và hệ số hiệu suất. Nói cách khác, hiệu suất vật liệu hoạt tính 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 kích hoạt 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 học của phản ứng hóa học là khác nhau. Sự phân ly các phân tử khí trong plasma không mang tính chọn lọc, do đó lớp màng được lắng đọng bằng PECVD hoàn toàn khác với CVD thông thường. Thành phần pha được tạo ra bởi PECVD có thể là duy nhất ở trạng thái 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 ở trạng thái vô định hình.

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

Nhờ quy trình PECVD ở nhiệt độ thấp, hiện tượng hư hại do nhiệt có thể được giảm thiểu, sự khuếch tán và phản ứng lẫn nhau giữa lớp màng và vật liệu nền cũng được giảm bớt, v.v., do đó các linh kiện điện tử có thể được phủ lớp bảo vệ trước khi chế tạo hoặc khi cần sửa chữa. Đối với việc sản xuất mạch tích hợp siêu lớn (VLSI, ULSI), công nghệ PECVD đã được ứng dụng thành công trong việc tạo màng silicon nitride (SiN) làm lớp bảo vệ cuối cùng sau khi tạo dây dẫn điện cực Al, cũng như làm phẳng và tạo màng silicon oxide làm lớp cách điện trung gian. Đối với các thiết bị màng mỏng, công nghệ PECVD cũng đã được ứng dụng thành công trong sản xuất transistor màng mỏng (TFT) cho màn hình LCD, v.v., sử dụng thủy tinh làm chất nền trong phương pháp ma trận hoạt động. Với sự phát triển của mạch tích hợp lên quy mô lớn hơn và tích hợp cao hơn, cùng với việc sử dụng rộng rãi các thiết bị bán dẫn phức hợp, PECVD cần được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn và quy trình năng lượng điện tử cao hơn. Để đáp ứng yêu cầu này, cần phát triển các công nghệ có thể tổng hợp các màng có độ phẳng cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn. 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 ứng dụng thực tiễn trong việc sử dụng các lớp màng cách điện xen kẽ cho các mạch tích hợp quy mô lớn, v.v.