1. Основни процеси на плазмено усилено химическо отлагане на пари
Плазмено усилено химическо отлагане на пари (PECVD) е нова технология за растеж на тънки филми чрез химическа реакция на газообразни вещества с помощта на плазма с тлеещ разряд. Тъй като технологията PECVD се приготвя чрез газов разряд, реакционните характеристики на неравновесната плазма се използват ефективно и режимът на захранване с енергия на реакционната система се променя фундаментално. Най-общо казано, когато технологията PECVD се използва за приготвяне на тънки филми, растежът на тънки филми включва главно следните три основни процеса
Първо, в неравновесната плазма, електроните реагират с реакционния газ в първичния етап, за да разложат реакционния газ и да образуват смес от йони и активни групи;
Второ, всички видове активни групи дифундират и се транспортират до повърхността и стената на филма, а вторичните реакции между реагентите протичат едновременно;
И накрая, всички видове първични и вторични реакционни продукти, достигащи до повърхността на растежа, се адсорбират и реагират с повърхността, придружено от повторно освобождаване на газообразни молекули.
По-конкретно, технологията PECVD, базирана на метода на тлеещ разряд, може да накара реакционния газ да се йонизира, за да образува плазма под въздействието на външно електромагнитно поле. В плазмата с тлеещ разряд кинетичната енергия на електроните, ускорени от външно електрическо поле, обикновено е около 10ev или дори по-висока, което е достатъчно, за да разруши химическите връзки на реактивните газови молекули. Следователно, чрез нееластичен сблъсък на високоенергийни електрони и реактивни газови молекули, газовите молекули ще бъдат йонизирани или разложени, за да произведат неутрални атоми и молекулни продукти. Положителните йони се ускоряват от ускоряващото електрическо поле на йонния слой и се сблъскват с горния електрод. Има и малък йонен слой електрическо поле близо до долния електрод, така че субстратът също е бомбардиран от йони до известна степен. В резултат на това неутралното вещество, получено от разлагането, дифундира към стената на тръбата и субстрата. В процеса на дрейф и дифузия тези частици и групи (химически активните неутрални атоми и молекули се наричат групи) ще претърпят реакция на йонна молекула и реакция на групова молекула поради късия среден свободен път. Химичните свойства на химически активните вещества (главно групи), които достигат до субстрата и се адсорбират, са много активни, а филмът се образува от взаимодействието между тях.
2. Химични реакции в плазмата
Тъй като възбуждането на реакционния газ в процеса на тлеещ разряд е главно сблъсък на електрони, елементарните реакции в плазмата са различни и взаимодействието между плазмата и твърдата повърхност също е много сложно, което прави по-трудно изследването на механизма на процеса PECVD. Досега много важни реакционни системи са оптимизирани чрез експерименти за получаване на филми с идеални свойства. За отлагането на тънки филми на основата на силиций, базирани на PECVD технология, ако механизмът на отлагане може да бъде дълбоко разкрит, скоростта на отлагане на тънки филми на основата на силиций може да бъде значително увеличена при предпоставката за осигуряване на отлични физични свойства на материалите.
Понастоящем при изследването на тънки филми на основата на силиций, разреденият с водород силан (SiH4) се използва широко като реакционен газ, тъй като има известно количество водород в тънките филми на основата на силиций. H играе много важна роля в тънките филми на основата на силиций. Той може да запълни висящите връзки в структурата на материала, значително да намали енергийното ниво на дефекта и лесно да реализира контрола на валентните електрони на материалите, тъй като spear et al. Първият осъзнал допинг ефекта на силициевите тънки филми и подготвил първото PN преход в, изследванията върху подготовката и прилагането на силициеви базирани тънки филми, базирани на PECVD технология, са разработени с големи скокове. Следователно химическата реакция в тънки филми на основата на силиций, отложени чрез технологията PECVD, ще бъде описана и обсъдена по-долу.
При състояние на светещ разряд, тъй като електроните в силановата плазма имат повече от няколко EV енергия, H2 и SiH4 ще се разложат, когато се сблъскат от електрони, което принадлежи към първичната реакция. Ако не вземем предвид междинните възбудени състояния, можем да получим следните реакции на дисоциация на sihm (M = 0,1,2,3) с 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)
Съгласно стандартната топлина на производство на молекули в основно състояние, енергиите, необходими за горните процеси на дисоциация (2.1) ~ (2.5), са съответно 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV и 4.5 EV. Електроните с висока енергия в плазмата могат също да претърпят следните реакции на йонизация
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)
Енергията, необходима за (2.6) ~ (2.9), е съответно 11.9, 12.3, 13.6 и 15.3 EV. Поради разликата в реакционната енергия, вероятността от (2.1) ~ (2.9) реакции е много неравномерна. В допълнение, sihm, образуван с реакционния процес (2.1) ~ (2.5), ще претърпи следните вторични реакции за йонизиране, като напр.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ако горната реакция се проведе чрез единичен електронен процес, необходимата енергия е около 12 eV или повече. С оглед на факта, че броят на високоенергийните електрони над 10ev в слабо йонизираната плазма с електронна плътност от 1010cm-3 е относително малък при атмосферно налягане (10-100pa) за получаване на филми на основата на силиций, кумулативният вероятността за йонизация обикновено е по-малка от вероятността за възбуждане. Следователно делът на горните йонизирани съединения в силановата плазма е много малък и неутралната група на sihm е доминираща. Резултатите от анализа на масспектъра също доказват това заключение [8]. Bourquard и др. Освен това посочи, че концентрацията на sihm намалява в реда на sih3, sih2, Si и SIH, но концентрацията на SiH3 е най-много три пъти по-голяма от SIH. Робъртсън и др. Съобщава се, че в неутралните продукти на sihm чистият силан се използва главно за разряд с висока мощност, докато sih3 се използва главно за разряд с ниска мощност. Редът на концентрацията от висока към ниска беше SiH3, SiH, Si, SiH2. Следователно параметрите на плазмения процес силно влияят върху състава на sihm неутралните продукти.
В допълнение към горните реакции на дисоциация и йонизация, вторичните реакции между йонните молекули също са много важни
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Следователно, по отношение на концентрацията на йони, sih3 + е повече от sih2 +. Това може да обясни защо в SiH4 плазмата има повече sih3 + йони отколкото sih2 + йони.
Освен това ще има реакция на сблъсък на молекулни атоми, при която водородните атоми в плазмата улавят водорода в SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Това е екзотермична реакция и прекурсор за образуването на si2h6. Разбира се, тези групи са не само в основно състояние, но и възбудени до възбудено състояние в плазмата. Емисионните спектри на силанова плазма показват, че има оптически допустими преходни възбудени състояния на Si, SIH, h и вибрационно възбудени състояния на SiH2, SiH3
Време на публикуване: 7 април 2021 г