التكنولوجيا الأساسية لترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD)

1. العمليات الرئيسية لترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما

ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD) هو تقنية جديدة لنمو الأغشية الرقيقة عن طريق التفاعل الكيميائي للمواد الغازية بمساعدة بلازما التفريغ المتوهج. نظرًا لأن تقنية PECVD يتم تحضيرها عن طريق تفريغ الغاز، يتم استخدام خصائص تفاعل البلازما غير المتوازنة بشكل فعال، ويتم تغيير وضع إمداد الطاقة لنظام التفاعل بشكل أساسي. بشكل عام، عند استخدام تقنية PECVD لتحضير الأغشية الرقيقة، فإن نمو الأغشية الرقيقة يشمل بشكل أساسي العمليات الأساسية الثلاث التالية

أولاً، في البلازما غير المتوازنة، تتفاعل الإلكترونات مع غاز التفاعل في المرحلة الأولية ليتحلل غاز التفاعل ويشكل خليطاً من الأيونات والمجموعات النشطة؛

ثانيا، تنتشر جميع أنواع المجموعات النشطة وتنتقل إلى سطح وجدار الفيلم، وتحدث التفاعلات الثانوية بين المواد المتفاعلة في نفس الوقت؛

وأخيرًا، يتم امتصاص جميع أنواع منتجات التفاعل الأولية والثانوية التي تصل إلى سطح النمو وتتفاعل مع السطح، مصحوبًا بإعادة إطلاق الجزيئات الغازية.

على وجه التحديد، يمكن لتقنية PECVD المعتمدة على طريقة تفريغ التوهج أن تجعل غاز التفاعل يتأين ليشكل بلازما تحت إثارة المجال الكهرومغناطيسي الخارجي. في بلازما التفريغ المتوهج، تكون الطاقة الحركية للإلكترونات التي يتسارعها المجال الكهربائي الخارجي عادة حوالي 10 إلكترون فولت، أو حتى أعلى، وهو ما يكفي لتدمير الروابط الكيميائية لجزيئات الغاز التفاعلية. لذلك، من خلال الاصطدام غير المرن للإلكترونات عالية الطاقة وجزيئات الغاز التفاعلية، سيتم تأين جزيئات الغاز أو تحللها لإنتاج ذرات محايدة ومنتجات جزيئية. يتم تسريع الأيونات الموجبة بواسطة المجال الكهربائي المتسارع للطبقة الأيونية وتتصادم مع القطب العلوي. يوجد أيضًا مجال كهربائي صغير لطبقة أيونية بالقرب من القطب السفلي، لذلك يتم قصف الركيزة أيضًا بالأيونات إلى حد ما. ونتيجة لذلك، تنتشر المادة المحايدة الناتجة عن التحلل إلى جدار الأنبوب والركيزة. في عملية الانجراف والانتشار، ستخضع هذه الجزيئات والمجموعات (تسمى الذرات والجزيئات المحايدة النشطة كيميائيًا بالمجموعات) لتفاعل جزيء أيوني وتفاعل جزيء جماعي بسبب المسار الحر المتوسط ​​القصير. تكون الخواص الكيميائية للمواد الكيميائية النشطة (المجموعات بشكل رئيسي) التي تصل إلى الركيزة ويتم امتصاصها نشطة للغاية، ويتكون الفيلم من التفاعل بينها.

2. التفاعلات الكيميائية في البلازما

نظرًا لأن إثارة غاز التفاعل في عملية تفريغ التوهج تكون بشكل أساسي اصطدامًا إلكترونيًا، فإن التفاعلات الأولية في البلازما متنوعة، كما أن التفاعل بين البلازما والسطح الصلب معقد جدًا أيضًا، مما يزيد من صعوبة دراسة الآلية عملية PECVD حتى الآن، تم تحسين العديد من أنظمة التفاعل المهمة من خلال التجارب للحصول على أفلام ذات خصائص مثالية. بالنسبة لترسيب الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون استنادًا إلى تقنية PECVD، إذا كان من الممكن الكشف بعمق عن آلية الترسيب، فيمكن زيادة معدل ترسيب الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون بشكل كبير على فرضية ضمان الخواص الفيزيائية الممتازة للمواد.

في الوقت الحاضر، في أبحاث الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون، يستخدم سيلاني المخفف بالهيدروجين (SiH4) على نطاق واسع كغاز التفاعل بسبب وجود كمية معينة من الهيدروجين في الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون. يلعب H دورًا مهمًا جدًا في الأغشية الرقيقة المعتمدة على السيليكون. يمكن أن تملأ الروابط المتدلية في هيكل المادة، وتقلل بشكل كبير من مستوى الطاقة العيب، وتدرك بسهولة التحكم الإلكتروني في المواد منذ الرمح وآخرون. أدركت لأول مرة تأثير المنشطات للأغشية الرقيقة من السيليكون وأعدت أول تقاطع PN في عام 2018، وقد تم تطوير البحث حول تحضير وتطبيق الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون استنادًا إلى تقنية PECVD بسرعة فائقة. لذلك، سيتم وصف ومناقشة التفاعل الكيميائي في الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون والمترسبة بواسطة تقنية PECVD فيما يلي.

في ظل حالة تفريغ التوهج، نظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في بلازما السيلاني تحتوي على أكثر من عدة طاقة EV، فإن H2 وSiH4 سوف يتحللان عند اصطدامهما بالإلكترونات، التي تنتمي إلى التفاعل الأولي. إذا لم نأخذ في الاعتبار الحالات المتوسطة المثارة، فيمكننا الحصول على تفاعلات التفكك التالية لـ sihm (M = 0,1,2,3) مع H

ه + SiH4 → SiH2 + H2 + ه (2.1)

ه + SiH4 → SiH3 + H + ه (2.2)

ه + SiH4 → سي + 2H2 + ه (2.3)

e+SiH4→SiH+H2+H+e (2.4)

ه + H2 → 2 ح + ه (2.5)

وفقا للحرارة القياسية لإنتاج جزيئات الحالة الأرضية، فإن الطاقات المطلوبة لعمليات التفكك المذكورة أعلاه (2.1) ~ (2.5) هي 2.1، 4.1، 4.4، 5.9 EV و 4.5 EV على التوالي. يمكن للإلكترونات عالية الطاقة في البلازما أيضًا أن تخضع لتفاعلات التأين التالية

ه + SiH4 → SiH2 ++ H2 + 2e (2.6)

e+SiH4 → SiH3++ H+2e (2.7)

ه + SiH4 → سي ++ 2H2 + 2e (2.8)

e+SiH4→SiH++H2+H+2e (2.9)

الطاقة المطلوبة لـ (2.6) ~ (2.9) هي 11.9 و12.3 و13.6 و15.3 EV على التوالي. ونظراً لاختلاف طاقة التفاعل فإن احتمالية التفاعلات (2.1) ~ (2.9) متفاوتة جداً. بالإضافة إلى ذلك فإن السحم المتكون بعملية التفاعل (2.1) ~ (2.5) سيخضع للتفاعلات الثانوية التالية للتأين مثل:

SiH + e → SiH ++ 2e (2.10)

SiH2 + e → SiH2 ++ 2e (2.11)

SiH3 + e → SiH3 ++ 2e (2.12)

إذا تم تنفيذ التفاعل أعلاه عن طريق عملية إلكترون واحدة، فإن الطاقة المطلوبة تبلغ حوالي 12 فولت أو أكثر. نظراً لكون عدد الإلكترونات عالية الطاقة التي تزيد عن 10ev في البلازما ضعيفة التأين ذات كثافة إلكترونية 1010سم-3 صغير نسبياً تحت الضغط الجوي (10-100pa) لتحضير الأغشية ذات الأساس السيليكوني، فإن التراكمي احتمال التأين عادة ما يكون أصغر من احتمال الإثارة. ولذلك فإن نسبة المركبات المتأينة المذكورة أعلاه في بلازما السيلاني صغيرة جداً، وتكون مجموعة السيهم المحايدة هي المهيمنة. تثبت نتائج تحليل الطيف الكتلي أيضًا هذا الاستنتاج [8]. بوركارد وآخرون. وأشار كذلك إلى أن تركيز sihm انخفض بترتيب sih3 وsih2 وSi وSIH، لكن تركيز SiH3 كان على الأكثر ثلاثة أضعاف تركيز SIH. روبرتسون وآخرون. تم الإبلاغ عن أنه في المنتجات المحايدة لـ sihm، تم استخدام السيلان النقي بشكل أساسي لتفريغ الطاقة العالية، بينما تم استخدام sih3 بشكل أساسي لتفريغ الطاقة المنخفضة. كان ترتيب التركيز من الأعلى إلى الأدنى هو SiH3، SiH، Si، SiH2. ولذلك، فإن معلمات عملية البلازما تؤثر بقوة على تكوين منتجات سيم المحايدة.

بالإضافة إلى تفاعلات التفكك والتأين المذكورة أعلاه، تعد التفاعلات الثانوية بين الجزيئات الأيونية مهمة جدًا أيضًا

SiH2＋+SiH4←SiH3++SiH3 (2.13)

ولذلك، من حيث تركيز الأيونات، sih3 + أكثر من sih2 +. يمكن أن يفسر سبب وجود أيونات sih3 + أكثر من أيونات sih2 + في بلازما SiH4.

بالإضافة إلى ذلك، سيكون هناك تفاعل تصادم ذري جزيئي حيث تلتقط ذرات الهيدروجين الموجودة في البلازما الهيدروجين الموجود في SiH4

H + SiH4 → SiH3 + H2 (2.14)

إنه تفاعل طارد للحرارة ومقدمة لتكوين si2h6. وبطبيعة الحال، هذه المجموعات ليست فقط في الحالة الأرضية، ولكن أيضا متحمسة للحالة المثارة في البلازما. يُظهر أطياف انبعاث بلازما السيلاني أن هناك حالات انتقالية مثارة مقبولة بصريًا لـ Si وSIH وh وحالات اهتزازية مثارة لـ SiH2 وSiH3