1. Glavni procesi plazma pojačanog hemijskog taloženja pare
Plazma poboljšano hemijsko taloženje pare (PECVD) je nova tehnologija za rast tankih filmova hemijskom reakcijom gasovitih supstanci uz pomoć užarene plazme. Pošto je PECVD tehnologija pripremljena gasnim pražnjenjem, reakcione karakteristike neravnotežne plazme se efikasno koriste, a način snabdevanja energijom reakcionog sistema se suštinski menja. Uopšteno govoreći, kada se PECVD tehnologija koristi za pripremu tankih filmova, rast tankih filmova uglavnom uključuje sljedeća tri osnovna procesa
Prvo, u neravnotežnoj plazmi, elektroni reaguju sa reakcionim gasom u primarnoj fazi da bi razgradili reakcioni gas i formirali mešavinu jona i aktivnih grupa;
Drugo, sve vrste aktivnih grupa difundiraju i transportuju se na površinu i zid filma, a sekundarne reakcije između reaktanata odvijaju se u isto vrijeme;
Konačno, sve vrste primarnih i sekundarnih reakcijskih produkata koji dospiju do površine rasta se adsorbiraju i reagiraju s površinom, praćeno ponovnim oslobađanjem plinovitih molekula.
Konkretno, PECVD tehnologija zasnovana na metodi užarenog pražnjenja može učiniti da reakcioni gas ionizira i formira plazmu pod ekscitacijom vanjskog elektromagnetnog polja. U plazmi užarenog pražnjenja, kinetička energija elektrona ubrzanih vanjskim električnim poljem je obično oko 10ev, ili čak i veća, što je dovoljno da se razbiju kemijske veze reaktivnih molekula plina. Stoga, kroz neelastični sudar visokoenergetskih elektrona i reaktivnih molekula plina, molekule plina će se ionizirati ili razgraditi kako bi se proizveli neutralni atomi i molekularni proizvodi. Pozitivni ioni se ubrzavaju električnim poljem ionskog sloja i sudaraju se s gornjom elektrodom. U blizini donje elektrode postoji i malo električno polje jonskog sloja, tako da je i supstrat donekle bombardovan jonima. Kao rezultat, neutralna tvar nastala razgradnjom difundira na zid cijevi i podlogu. U procesu drifta i difuzije, ove čestice i grupe (hemijski aktivni neutralni atomi i molekule nazivaju se grupe) će zbog kratkog prosječnog slobodnog puta proći kroz reakciju molekula jona i reakciju grupnih molekula. Hemijska svojstva hemijski aktivnih supstanci (uglavnom grupa) koje dospevaju do supstrata i adsorbuju se veoma su aktivna, a film nastaje interakcijom između njih.
2. Hemijske reakcije u plazmi
Budući da je pobuđivanje reakcionog gasa u procesu užarenog pražnjenja uglavnom sudar elektrona, elementarne reakcije u plazmi su različite, a interakcija između plazme i čvrste površine je takođe veoma složena, što otežava proučavanje mehanizma. PECVD procesa. Do sada su mnogi važni reakcioni sistemi optimizovani eksperimentima kako bi se dobili filmovi idealnih svojstava. Za taloženje tankih filmova na bazi silicijuma zasnovanih na PECVD tehnologiji, ako se mehanizam taloženja može duboko otkriti, stopa taloženja tankih filmova na bazi silicijuma može se znatno povećati pod pretpostavkom da se osiguraju odlična fizička svojstva materijala.
Trenutno, u istraživanju tankih filmova na bazi silicija, silan razrijeđen vodonikom (SiH4) se široko koristi kao reakcijski plin jer postoji određena količina vodika u tankim filmovima na bazi silicija. H igra veoma važnu ulogu u tankim filmovima na bazi silicijuma. Može popuniti viseće veze u strukturi materijala, uvelike smanjiti nivo energije defekta i lako ostvariti kontrolu valentnih elektrona materijala Od speara et al. Prvo shvativši doping efekat silicijumskih tankih filmova i pripremio prvi PN spoj, istraživanje o pripremi i primeni tankih filmova na bazi silicijuma zasnovano na PECVD tehnologiji je razvijeno velikim koracima. Stoga će kemijska reakcija u tankim filmovima na bazi silicija nanesenih PECVD tehnologijom biti opisana i razmotrena u nastavku.
Pod uslovima užarenog pražnjenja, pošto elektroni u silanskoj plazmi imaju više od nekoliko EV energije, H2 i SiH4 će se raspasti kada ih sudare elektroni, što pripada primarnoj reakciji. Ako ne uzmemo u obzir međupobuđena stanja, možemo dobiti sljedeće reakcije disocijacije sihm (M = 0,1,2,3) sa 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)
Prema standardnoj toploti proizvodnje molekula osnovnog stanja, energije potrebne za gore navedene procese disocijacije (2.1) ~ (2.5) su 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV i 4.5 EV respektivno. Elektroni visoke energije u plazmi također mogu biti podvrgnuti sljedećim reakcijama ionizacije
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)
Energija potrebna za (2.6) ~ (2.9) je 11.9, 12.3, 13.6 i 15.3 EV respektivno. Zbog razlike u energiji reakcije, vjerovatnoća (2.1) ~ (2.9) reakcija je vrlo neujednačena. Osim toga, sihm formiran procesom reakcije (2.1) ~ (2.5) će proći kroz sljedeće sekundarne reakcije ionizacije, kao što je
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ako se gornja reakcija izvodi pomoću procesa s jednim elektronom, potrebna je energija oko 12 eV ili više. S obzirom na činjenicu da je broj visokoenergetskih elektrona iznad 10ev u slabo jonizovanoj plazmi sa gustinom elektrona od 1010cm-3 relativno mali pod atmosferskim pritiskom (10-100pa) za pripremu filmova na bazi silicijuma, kumulativno vjerovatnoća jonizacije je generalno manja od vjerovatnoće ekscitacije. Stoga je udio gore navedenih joniziranih spojeva u silanskoj plazmi vrlo mali, a neutralna grupa sihm je dominantna. Rezultati analize masenog spektra također potvrđuju ovaj zaključak [8]. Bourquard et al. Nadalje je istaknuo da se koncentracija sihm smanjila po redu sih3, sih2, Si i SIH, ali je koncentracija SiH3 bila najviše tri puta veća od SIH. Robertson et al. Izvještava se da se u neutralnim proizvodima sihm-a čisti silan uglavnom koristi za pražnjenje velike snage, dok se sih3 uglavnom koristi za pražnjenje male snage. Redoslijed koncentracije od visoke do niske bio je SiH3, SiH, Si, SiH2. Dakle, parametri procesa plazme snažno utiču na sastav sihm neutralnih proizvoda.
Osim gore navedenih reakcija disocijacije i jonizacije, vrlo su važne i sekundarne reakcije između ionskih molekula.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Dakle, u smislu koncentracije jona, sih3 + je više od sih2 +. To može objasniti zašto u SiH4 plazmi ima više jona sih3 + nego sih2 + jona.
Osim toga, doći će do reakcije sudara molekularnih atoma u kojoj atomi vodika u plazmi hvataju vodik u SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
To je egzotermna reakcija i prekursor za stvaranje si2h6. Naravno, ove grupe nisu samo u osnovnom stanju, već su i pobuđene do pobuđenog stanja u plazmi. Emisioni spektri silanske plazme pokazuju da postoje optički prihvatljiva prelazna pobuđena stanja Si, SIH, h i vibracijska pobuđena stanja SiH2, SiH3
Vrijeme objave: Apr-07-2021