1. Hlavní procesy plazmově zesílené chemické depozice z plynné fáze
Plazma zesílená chemická depozice z plynné fáze (PECVD) je nová technologie pro růst tenkých vrstev chemickou reakcí plynných látek pomocí doutnavého plazmatu. Vzhledem k tomu, že technologie PECVD je připravována plynovým výbojem, jsou efektivně využity reakční charakteristiky nerovnovážného plazmatu a zásadně se mění způsob dodávky energie reakčního systému. Obecně řečeno, když se technologie PECVD používá k přípravě tenkých vrstev, růst tenkých vrstev zahrnuje především následující tři základní procesy
Za prvé, v nerovnovážném plazmatu reagují elektrony s reakčním plynem v primárním stupni za rozkladu reakčního plynu a tvoří směs iontů a aktivních skupin;
Za druhé, všechny druhy aktivních skupin difundují a transportují se na povrch a stěnu filmu a současně probíhají sekundární reakce mezi reaktanty;
Nakonec jsou všechny druhy primárních a sekundárních reakčních produktů, které se dostanou na růstový povrch, adsorbovány a reagují s povrchem, doprovázené opětovným uvolňováním plynných molekul.
Konkrétně technologie PECVD založená na metodě doutnavého výboje může způsobit ionizaci reakčního plynu za vzniku plazmy při excitaci vnějšího elektromagnetického pole. V plazmatu s doutnavým výbojem je kinetická energie elektronů urychlených vnějším elektrickým polem obvykle asi 10ev, nebo i vyšší, což stačí ke zničení chemických vazeb molekul reaktivního plynu. Proto prostřednictvím nepružné srážky vysokoenergetických elektronů a molekul reaktivních plynů budou molekuly plynu ionizovány nebo rozloženy za vzniku neutrálních atomů a molekulárních produktů. Kladné ionty jsou urychlovány iontovou vrstvou urychlujícím elektrickým polem a srážejí se s horní elektrodou. V blízkosti spodní elektrody je také malé elektrické pole iontové vrstvy, takže substrát je také do určité míry bombardován ionty. Výsledkem je, že neutrální látka vzniklá rozkladem difunduje ke stěně trubky a substrátu. V procesu driftu a difúze tyto částice a skupiny (chemicky aktivní neutrální atomy a molekuly se nazývají skupiny) podstoupí reakci iontových molekul a reakci skupinových molekul v důsledku krátké průměrné volné dráhy. Chemické vlastnosti chemicky aktivních látek (hlavně skupin), které se dostanou k substrátu a adsorbují se, jsou velmi aktivní a interakcí mezi nimi vzniká film.
2. Chemické reakce v plazmatu
Protože excitace reakčního plynu v procesu doutnavého výboje je hlavně srážka elektronů, jsou elementární reakce v plazmatu různé a interakce mezi plazmatem a pevným povrchem je také velmi složitá, což ztěžuje studium mechanismu procesu PECVD. Dosud bylo experimenty optimalizováno mnoho důležitých reakčních systémů, aby se získaly filmy s ideálními vlastnostmi. Pro depozici tenkých vrstev na bázi křemíku založených na technologii PECVD, pokud se podaří hluboce odhalit mechanismus depozice, může být rychlost depozice tenkých vrstev na bázi křemíku výrazně zvýšena za předpokladu zajištění vynikajících fyzikálních vlastností materiálů.
V současné době se při výzkumu tenkých vrstev na bázi křemíku široce používá jako reakční plyn vodíkem zředěný silan (SiH4), protože v tenkých vrstvách na bázi křemíku je určité množství vodíku. H hraje velmi důležitou roli v tenkých filmech na bázi křemíku. Může vyplnit visící vazby ve struktuře materiálu, výrazně snížit hladinu energie defektu a snadno realizovat kontrolu valenčních elektronů materiálů, protože kopí et al. Nejprve si uvědomil dopingový efekt tenkých křemíkových vrstev a připravil první PN přechod v roce, výzkum přípravy a aplikace tenkých vrstev na bázi křemíku založených na technologii PECVD byl vyvinut mílovými kroky. Proto bude dále popsána a diskutována chemická reakce v tenkých vrstvách na bázi křemíku nanesených technologií PECVD.
Za podmínek doutnavého výboje, protože elektrony v silanovém plazmatu mají více než několik EV energie, se H2 a SiH4 rozloží, když se srazí s elektrony, což patří k primární reakci. Pokud neuvažujeme přechodné excitované stavy, můžeme získat následující disociační reakce sihm (M = 0,1,2,3) s 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)
Podle standardního výrobního tepla molekul základního stavu jsou energie potřebné pro výše uvedené disociační procesy (2.1) ~ (2.5) 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV a 4,5 EV, v tomto pořadí. Vysokoenergetické elektrony v plazmatu mohou také podstoupit následující ionizační reakce
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)
Energie potřebná pro (2.6) ~ (2.9) je 11,9, 12,3, 13,6 a 15,3 EV. Vzhledem k rozdílu reakční energie je pravděpodobnost (2.1) ~ (2.9) reakcí velmi nerovnoměrná. Kromě toho sihm vytvořený reakčním procesem (2.1) ~ (2.5) podstoupí následující sekundární reakce k ionizaci, jako je např.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Pokud se výše uvedená reakce provádí pomocí jediného elektronového procesu, je požadovaná energie přibližně 12 eV nebo více. Vzhledem k tomu, že počet vysokoenergetických elektronů nad 10ev ve slabě ionizovaném plazmatu s elektronovou hustotou 1010cm-3 je při atmosférickém tlaku (10-100pa) pro přípravu filmů na bázi křemíku relativně malý, je kumulativní pravděpodobnost ionizace je obecně menší než pravděpodobnost excitace. Proto je podíl výše uvedených ionizovaných sloučenin v silanovém plazmatu velmi malý a dominantní je neutrální skupina sihm. Tento závěr potvrzují i výsledky analýzy hmotnostního spektra [8]. Bourquard a kol. Dále poukázal na to, že koncentrace sihm klesla v řádu sih3, sih2, Si a SIH, ale koncentrace SiH3 byla maximálně třikrát vyšší než SIH. Robertson a kol. Hlášeno, že v neutrálních produktech sihm byl čistý silan používán hlavně pro vysokovýkonné vybíjení, zatímco sih3 byl používán hlavně pro nízkoenergetické vybíjení. Pořadí koncentrací od vysoké po nízkou bylo SiH3, SiH, Si, SiH2. Proto parametry plazmového procesu silně ovlivňují složení sihm neutrálních produktů.
Kromě výše uvedených disociačních a ionizačních reakcí jsou velmi důležité i sekundární reakce mezi iontovými molekulami
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Z hlediska koncentrace iontů je tedy sih3 + více než sih2 +. Může vysvětlit, proč je v plazmě SiH4 více iontů sih3 + než iontů sih2 +.
Kromě toho dojde ke srážkové reakci molekulových atomů, při které atomy vodíku v plazmatu zachycují vodík v SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Je to exotermická reakce a prekurzor pro tvorbu si2h6. Tyto skupiny jsou samozřejmě nejen v základním stavu, ale také excitované do excitovaného stavu v plazmatu. Emisní spektra silanového plazmatu ukazují, že existují opticky přípustné přechodové excitované stavy Si, SIH, h a vibračně excitované stavy SiH2, SiH3
Čas odeslání: duben-07-2021