1. Hovedprocesser for plasmaforstærket kemisk dampaflejring
Plasmaforstærket kemisk dampaflejring (PECVD) er en ny teknologi til vækst af tynde film ved kemisk reaktion af gasformige stoffer ved hjælp af glødeudladningsplasma. Fordi PECVD-teknologien er fremstillet ved gasudledning, udnyttes reaktionskarakteristikaene for ikke-ligevægtsplasma effektivt, og reaktionssystemets energiforsyningsmåde ændres fundamentalt. Generelt, når PECVD-teknologi bruges til at fremstille tynde film, omfatter væksten af tynde film hovedsageligt følgende tre grundlæggende processer
For det første, i ikke-ligevægtsplasmaet, reagerer elektroner med reaktionsgassen i det primære trin for at nedbryde reaktionsgassen og danne en blanding af ioner og aktive grupper;
For det andet diffunderer alle slags aktive grupper og transporterer til overfladen og væggen af filmen, og de sekundære reaktioner mellem reaktanterne forekommer på samme tid;
Endelig adsorberes alle former for primære og sekundære reaktionsprodukter, der når vækstoverfladen, og reagerer med overfladen, ledsaget af genfrigivelse af gasformige molekyler.
Specifikt kan PECVD-teknologi baseret på glødeudladningsmetode få reaktionsgassen til at ionisere til at danne plasma under excitation af eksternt elektromagnetisk felt. I glødeudladningsplasma er den kinetiske energi af elektroner accelereret af eksternt elektrisk felt normalt omkring 10ev eller endnu højere, hvilket er nok til at ødelægge de kemiske bindinger af reaktive gasmolekyler. Derfor vil gasmolekylerne gennem den uelastiske kollision af højenergielektroner og reaktive gasmolekyler blive ioniseret eller nedbrudt for at producere neutrale atomer og molekylære produkter. De positive ioner accelereres ved at ionlaget accelererer det elektriske felt og kolliderer med den øverste elektrode. Der er også et lille ionlags elektrisk felt nær den nederste elektrode, så substratet bliver også bombarderet af ioner til en vis grad. Som et resultat diffunderer det neutrale stof, der dannes ved nedbrydning, til rørvæggen og substratet. I processen med drift og diffusion vil disse partikler og grupper (de kemisk aktive neutrale atomer og molekyler kaldes grupper) gennemgå ionmolekylereaktion og gruppemolekylereaktion på grund af den korte gennemsnitlige frie vej. De kemiske egenskaber af de kemiske aktive stoffer (hovedsageligt grupper), der når substratet og adsorberes, er meget aktive, og filmen dannes ved vekselvirkningen mellem dem.
2. Kemiske reaktioner i plasma
Fordi excitationen af reaktionsgassen i glødeudladningsprocessen hovedsageligt er elektronkollision, er de elementære reaktioner i plasmaet forskellige, og interaktionen mellem plasmaet og den faste overflade er også meget kompleks, hvilket gør det vanskeligere at studere mekanismen af PECVD-processen. Hidtil er mange vigtige reaktionssystemer blevet optimeret ved eksperimenter for at opnå film med ideelle egenskaber. Til afsætning af siliciumbaserede tynde film baseret på PECVD-teknologi, hvis aflejringsmekanismen kan afsløres dybt, kan aflejringshastigheden af siliciumbaserede tynde film øges kraftigt på den forudsætning, at materialernes fremragende fysiske egenskaber sikres.
På nuværende tidspunkt, i forskningen af silicium-baserede tynde film, er hydrogenfortyndet silan (SiH4) i vid udstrækning brugt som reaktionsgassen, fordi der er en vis mængde brint i de silicium-baserede tynde film. H spiller en meget vigtig rolle i de siliciumbaserede tyndfilm. Det kan udfylde de dinglende bindinger i materialestrukturen, i høj grad reducere defektenerginiveauet og let realisere valenselektronkontrollen af materialerne. Siden spear et al. Først indså dopingeffekten af silicium tynde film og forberedte det første PN-kryds i, forskningen i fremstilling og anvendelse af silicium-baserede tynde film baseret på PECVD-teknologi er blevet udviklet med stormskridt. Derfor vil den kemiske reaktion i siliciumbaserede tynde film afsat af PECVD-teknologi blive beskrevet og diskuteret i det følgende.
Under lysudladningstilstanden, fordi elektronerne i silanplasmaet har mere end flere EV-energi, vil H2 og SiH4 nedbrydes, når de kollideres af elektroner, som hører til den primære reaktion. Hvis vi ikke overvejer de intermediære exciterede tilstande, kan vi få følgende dissociationsreaktioner af sihm (M = 0,1,2,3) med 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)
Ifølge standardproduktionsvarmen for grundtilstandsmolekyler er energierne, der kræves til ovenstående dissociationsprocesser (2.1) ~ (2.5), henholdsvis 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV og 4.5 EV. Højenergielektroner i plasma kan også gennemgå følgende ioniseringsreaktioner
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)
Den nødvendige energi til (2,6) ~ (2,9) er henholdsvis 11,9, 12,3, 13,6 og 15,3 EV. På grund af forskellen i reaktionsenergi er sandsynligheden for (2,1) ~ (2,9) reaktioner meget ujævn. Desuden vil sihmen dannet med reaktionsprocessen (2.1) ~ (2.5) gennemgå følgende sekundære reaktioner for at ionisere, som f.eks.
SiH+e→SiH++2e (2,10)
SiH2+e→SiH2++2e (2,11)
SiH3+e→SiH3++2e (2,12)
Hvis ovenstående reaktion udføres ved hjælp af en enkelt elektronproces, er den nødvendige energi ca. 12 eV eller mere. I lyset af det faktum, at antallet af højenergielektroner over 10ev i det svagt ioniserede plasma med elektrondensitet på 1010cm-3 er relativt lille under det atmosfæriske tryk (10-100pa) til fremstilling af siliciumbaserede film, er den kumulative ioniseringssandsynlighed er generelt mindre end excitationssandsynligheden. Derfor er andelen af de ovennævnte ioniserede forbindelser i silanplasma meget lille, og den neutrale gruppe af sihm er dominerende. Massespektrumanalyseresultaterne beviser også denne konklusion [8]. Bourquard et al. Påpegede endvidere, at koncentrationen af sihm faldt i størrelsesordenen sih3, sih2, Si og SIH, men koncentrationen af SiH3 var højst tre gange den for SIH. Robertson et al. Rapporterede, at i de neutrale produkter fra sihm blev ren silan hovedsageligt brugt til højeffektudladning, mens sih3 hovedsageligt blev brugt til laveffektudladning. Koncentrationsrækkefølgen fra høj til lav var SiH3, SiH, Si, SiH2. Derfor påvirker plasmaprocesparametrene stærkt sammensætningen af sihm-neutrale produkter.
Ud over ovenstående dissociations- og ioniseringsreaktioner er de sekundære reaktioner mellem ioniske molekyler også meget vigtige
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Derfor, hvad angår ionkoncentration, er sih3 + mere end sih2 +. Det kan forklare, hvorfor der er flere sih3 + ioner end sih2 + ioner i SiH4 plasma.
Derudover vil der være en molekylær atomkollisionsreaktion, hvor brintatomerne i plasmaet opfanger brinten i SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Det er en eksoterm reaktion og en forløber for dannelsen af si2h6. Selvfølgelig er disse grupper ikke kun i grundtilstanden, men også exciterede til den exciterede tilstand i plasmaet. Emissionsspektrene for silanplasma viser, at der er optisk tilladte overgangsexciterede tilstande af Si, SIH, h og vibrationsexciterede tilstande af SiH2, SiH3
Posttid: 07-04-2021