Базавая тэхналогія плазменнага хімічнага нанясення з паравай фазы (PECVD)

1. Асноўныя працэсы плазменнага хімічнага нанясення з парнай фазы

Плазменна-хімічнае асаджэнне з паравай фазы (PECVD) - гэта новая тэхналогія росту тонкіх плёнак шляхам хімічнай рэакцыі газападобных рэчываў з дапамогай плазмы тлеючага разраду. Паколькі тэхналогія PECVD падрыхтавана з дапамогай газавага разраду, характарыстыкі рэакцыі нераўнаважнай плазмы эфектыўна выкарыстоўваюцца, а рэжым энергазабеспячэння рэакцыйнай сістэмы істотна змяняецца. Наогул кажучы, калі тэхналогія PECVD выкарыстоўваецца для падрыхтоўкі тонкіх плёнак, рост тонкіх плёнак у асноўным уключае наступныя тры асноўныя працэсы

Па-першае, у нераўнаважнай плазме электроны рэагуюць з рэакцыйным газам на першаснай стадыі, раскладаючы рэакцыйны газ і ўтвараючы сумесь іёнаў і актыўных груп;

Па-другое, усе віды актыўных груп дыфузіююць і транспартуюцца да паверхні і сценкі плёнкі, і другасныя рэакцыі паміж рэагентамі адбываюцца адначасова;

Нарэшце, усе віды першасных і другасных прадуктаў рэакцыі, якія дасягаюць паверхні росту, адсарбуюцца і ўступаюць у рэакцыю з паверхняй, што суправаджаецца паўторным вызваленнем малекул газу.

У прыватнасці, тэхналогія PECVD, заснаваная на метадзе тлеючага разраду, можа прымусіць рэакцыйны газ іянізаваць з адукацыяй плазмы пры ўзбуджэнні знешняга электрамагнітнага поля. У плазме тлеючага разраду кінэтычная энергія электронаў, паскораных вонкавым электрычным полем, звычайна складае каля 10 эв або нават вышэй, чаго дастаткова, каб разбурыць хімічныя сувязі малекул рэакцыйнага газу. Такім чынам, у выніку няпругкага сутыкнення электронаў з высокай энергіяй і малекул рэактыўнага газу малекулы газу будуць іянізавацца або раскладацца з адукацыяй нейтральных атамаў і малекулярных прадуктаў. Станоўчыя іёны паскараюцца паскараючым электрычным полем іённага пласта і сутыкаюцца з верхнім электродам. Каля ніжняга электрода таксама ёсць невялікае электрычнае поле іённага пласта, таму падкладка таксама ў некаторай ступені падвяргаецца бамбардзіроўцы іёнамі. У выніку нейтральнае рэчыва, якое ўтвараецца ў выніку раскладання, дыфузіюе да сценкі трубы і падкладкі. У працэсе дрэйфу і дыфузіі гэтыя часціцы і групы (хімічна актыўныя нейтральныя атамы і малекулы называюцца групамі) будуць падвяргацца рэакцыі іённай малекулы і рэакцыі групавой малекулы з-за кароткага сярэдняга вольнага прабегу. Хімічныя ўласцівасці хімічных актыўных рэчываў (галоўным чынам груп), якія дасягаюць падкладкі і адсарбуюцца, вельмі актыўныя, і плёнка ўтвараецца пры ўзаемадзеянні паміж імі.

2. Хімічныя рэакцыі ў плазме

Паколькі ўзбуджэнне рэакцыйнага газу ў працэсе тлеючага разраду з'яўляецца галоўным чынам сутыкненнем электронаў, элементарныя рэакцыі ў плазме розныя, а ўзаемадзеянне паміж плазмай і паверхняй цвёрдага цела таксама вельмі складанае, што ўскладняе вывучэнне механізму працэсу PECVD. Да гэтага часу многія важныя рэакцыйныя сістэмы былі аптымізаваны шляхам эксперыментаў для атрымання плёнак з ідэальнымі ўласцівасцямі. Для нанясення тонкіх плёнак на аснове крэмнію на аснове тэхналогіі PECVD, калі механізм нанясення можа быць глыбока выяўлены, хуткасць нанясення тонкіх плёнак на аснове крэмнія можа быць значна павялічана пры ўмове забеспячэння выдатных фізічных уласцівасцей матэрыялаў.

У цяперашні час пры даследаванні тонкіх плёнак на аснове крэмнія ў якасці рэакцыйнага газу шырока выкарыстоўваецца сілан, разведзены вадародам (SiH4), таму што ў тонкіх плёнках на аснове крэмнія прысутнічае пэўная колькасць вадароду. H гуляе вельмі важную ролю ў тонкіх плёнках на аснове крэмнія. Ён можа запоўніць абвіслыя сувязі ў структуры матэрыялу, значна знізіць узровень энергіі дэфекту і лёгка рэалізаваць кантроль валентных электронаў матэрыялаў, так як Спір і інш. Упершыню зразумеў легіруючы эфект крэмніевых тонкіх плёнак і падрыхтаваў першы PN-пераход у, даследаванні па падрыхтоўцы і прымяненні крэмніевых тонкіх плёнак на аснове тэхналогіі PECVD развіваліся семільнымі крокамі. Такім чынам, хімічная рэакцыя ў тонкіх плёнках на аснове крэмнію, нанесеных па тэхналогіі PECVD, будзе апісана і абмеркавана далей.

Ва ўмовах тлеючага разраду, таму што электроны ў сіланавай плазме маюць больш за некалькі EV энергіі, H2 і SiH4 будуць раскладацца, калі яны сутыкаюцца з электронамі, што належыць да асноўнай рэакцыі. Калі не разглядаць прамежкавыя ўзбуджаныя станы, то можна атрымаць наступныя рэакцыі дысацыяцыі sihm (M = 0,1,2,3) з H

e+SiH4→SiH2+H2+e (2.1)

e+SiH4→SiH3+ H+e (2,2)

e+SiH4→Si+2H2+e (2,3)

e+SiH4→SiH+H2+H+e (2,4)

e+H2→2H+e (2,5)

Згодна са стандартнай цеплынёй вытворчасці малекул у асноўным стане, энергіі, неабходныя для вышэйзгаданых працэсаў дысацыяцыі (2.1) ~ (2.5), складаюць 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV і 4.5 EV адпаведна. Электроны высокай энергіі ў плазме таксама могуць падвяргацца наступным рэакцыям іянізацыі

e+SiH4→SiH2++H2+2e (2,6)

e+SiH4→SiH3++ H+2e (2,7)

e+SiH4→Si++2H2+2e (2,8)

e+SiH4→SiH++H2+H+2e (2,9)

Энергія, неабходная для (2.6) ~ (2.9), складае 11,9, 12,3, 13,6 і 15,3 EV адпаведна. З-за розніцы энергій рэакцый верагоднасць рэакцый (2.1) ~ (2.9) вельмі нераўнамерная. Акрамя таго, сіх, які ўтвараецца ў працэсе рэакцыі (2.1) ~ (2.5), будзе праходзіць наступныя другасныя рэакцыі іянізацыі, такія як

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Калі вышэйпаказаная рэакцыя ажыццяўляецца з дапамогай працэсу з адным электронам, неабходная энергія складае каля 12 эВ або больш. Улічваючы той факт, што колькасць электронаў з высокай энергіяй вышэй за 10 эў у слабаіянізаванай плазме з шчыльнасцю электронаў 1010 см-3 адносна малая пры атмасферным ціску (10-100 Па) для падрыхтоўкі плёнак на аснове крэмнія, кумулятыўны верагоднасць іянізацыі звычайна меншая, чым верагоднасць узбуджэння. Такім чынам, доля вышэйпералічаных іянізаваных злучэнняў у силановой плазме вельмі малая, а нейтральная група сихма з'яўляецца дамінуючай. Вынікі аналізу мас-спектраў таксама пацвярджаюць гэтую выснову [8]. Бурквар і інш. Далей адзначыў, што канцэнтрацыя sihm памяншаецца ў парадку sih3, sih2, Si і SIH, але канцэнтрацыя SiH3 была не больш чым у тры разы больш, чым SIH. Робертсан і інш. Паведамляецца, што ў нейтральных прадуктах sihm чысты сілан у асноўным выкарыстоўваецца для разраду высокай магутнасці, у той час як sih3 у асноўным выкарыстоўваецца для разраду нізкай магутнасці. Парадак канцэнтрацыі ад высокай да нізкай быў SiH3, SiH, Si, SiH2. Такім чынам, параметры плазменнага працэсу моцна ўплываюць на склад нейтральных прадуктаў sihm.

У дадатак да вышэйзгаданых рэакцый дысацыяцыі і іянізацыі, другасныя рэакцыі паміж іённымі малекуламі таксама вельмі важныя

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)

Такім чынам, з пункту гледжання канцэнтрацыі іёнаў, sih3 + больш, чым sih2 +. Гэта можа растлумачыць, чаму ў плазме SiH4 больш іёнаў sih3+, чым іёнаў sih2+.

Акрамя таго, будзе адбывацца малекулярная рэакцыя сутыкнення атамаў, пры якой атамы вадароду ў плазме захопліваюць вадарод у SiH4

H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)

Гэта экзатэрмічная рэакцыя і папярэднік адукацыі si2h6. Вядома, гэтыя групы знаходзяцца не толькі ў асноўным стане, але і ўзбуджаны да ўзбуджанага стану ў плазме. Спектры выпраменьвання сіланавай плазмы паказваюць наяўнасць аптычна дапушчальных пераходных узбуджаных станаў Si, SIH, h і вагальных узбуджаных станаў SiH2, SiH3