1. Hauptprozesse der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung
Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) ist eine neue Technologie zum Wachstum dünner Schichten durch chemische Reaktion gasförmiger Substanzen mit Hilfe von Glimmentladungsplasma. Da die PECVD-Technologie durch Gasentladung hergestellt wird, werden die Reaktionseigenschaften des Nichtgleichgewichtsplasmas effektiv genutzt und die Energieversorgungsart des Reaktionssystems grundlegend geändert. Wenn die PECVD-Technologie zur Herstellung dünner Filme verwendet wird, umfasst das Wachstum dünner Filme im Allgemeinen hauptsächlich die folgenden drei Grundprozesse
Erstens reagieren im Nichtgleichgewichtsplasma Elektronen mit dem Reaktionsgas in der Primärstufe, um das Reaktionsgas zu zersetzen und eine Mischung aus Ionen und aktiven Gruppen zu bilden;
Zweitens diffundieren und transportieren alle Arten aktiver Gruppen zur Oberfläche und Wand des Films, und gleichzeitig finden Sekundärreaktionen zwischen den Reaktanten statt;
Schließlich werden alle Arten von primären und sekundären Reaktionsprodukten, die die Wachstumsoberfläche erreichen, adsorbiert und reagieren mit der Oberfläche, begleitet von der Freisetzung gasförmiger Moleküle.
Insbesondere kann die auf der Glimmentladungsmethode basierende PECVD-Technologie das Reaktionsgas unter Anregung eines externen elektromagnetischen Feldes ionisieren und so ein Plasma bilden. Im Glimmentladungsplasma beträgt die kinetische Energie der durch ein externes elektrisches Feld beschleunigten Elektronen normalerweise etwa 10 Ev oder sogar mehr, was ausreicht, um die chemischen Bindungen reaktiver Gasmoleküle zu zerstören. Daher werden die Gasmoleküle durch die inelastische Kollision hochenergetischer Elektronen und reaktiver Gasmoleküle ionisiert oder zersetzt, um neutrale Atome und molekulare Produkte zu erzeugen. Die positiven Ionen werden durch das beschleunigende elektrische Feld der Ionenschicht beschleunigt und kollidieren mit der oberen Elektrode. In der Nähe der unteren Elektrode gibt es auch ein kleines elektrisches Feld der Ionenschicht, sodass das Substrat in gewissem Maße auch von Ionen bombardiert wird. Dadurch diffundiert die durch Zersetzung entstehende neutrale Substanz zur Rohrwand und zum Substrat. Im Prozess der Drift und Diffusion unterliegen diese Partikel und Gruppen (die chemisch aktiven neutralen Atome und Moleküle werden Gruppen genannt) aufgrund der kurzen durchschnittlichen freien Weglänge einer Ionenmolekülreaktion und einer Gruppenmolekülreaktion. Die chemischen Eigenschaften der chemisch aktiven Substanzen (hauptsächlich Gruppen), die das Substrat erreichen und adsorbiert werden, sind sehr aktiv, und der Film wird durch die Wechselwirkung zwischen ihnen gebildet.
2. Chemische Reaktionen im Plasma
Da die Anregung des Reaktionsgases beim Glimmentladungsprozess hauptsächlich durch Elektronenstöße erfolgt, sind die Elementarreaktionen im Plasma vielfältig und auch die Wechselwirkung zwischen Plasma und fester Oberfläche ist sehr komplex, was die Untersuchung des Mechanismus erschwert des PECVD-Prozesses. Bisher wurden viele wichtige Reaktionssysteme experimentell optimiert, um Filme mit idealen Eigenschaften zu erhalten. Bei der Abscheidung siliziumbasierter Dünnfilme auf Basis der PECVD-Technologie kann die Abscheidungsrate siliziumbasierter Dünnfilme unter der Voraussetzung, dass die hervorragenden physikalischen Eigenschaften der Materialien gewährleistet werden, erheblich gesteigert werden, wenn der Abscheidungsmechanismus tiefgreifend aufgedeckt werden kann.
Derzeit wird bei der Erforschung siliziumbasierter Dünnfilme häufig wasserstoffverdünntes Silan (SiH4) als Reaktionsgas verwendet, da in den siliziumbasierten Dünnfilmen eine gewisse Menge Wasserstoff enthalten ist. H spielt in dünnen Schichten auf Siliziumbasis eine sehr wichtige Rolle. Es kann die freien Bindungen in der Materialstruktur füllen, das Defektenergieniveau erheblich reduzieren und die Valenzelektronenkontrolle der Materialien leicht realisieren. Da Spear et al. Nachdem 1991 erstmals der Dotierungseffekt von Siliziumdünnfilmen erkannt und der erste PN-Übergang hergestellt wurde, hat sich die Forschung zur Herstellung und Anwendung siliziumbasierter Dünnfilme auf Basis der PECVD-Technologie sprunghaft weiterentwickelt. Daher wird im Folgenden die chemische Reaktion in durch PECVD-Technologie abgeschiedenen siliziumbasierten Dünnfilmen beschrieben und diskutiert.
Unter der Bedingung einer Glimmentladung zersetzen sich H2 und SiH4, wenn sie mit Elektronen kollidieren, was zur Primärreaktion gehört, da die Elektronen im Silanplasma mehr als mehrere EV-Energien haben. Wenn wir die angeregten Zwischenzustände nicht berücksichtigen, können wir die folgenden Dissoziationsreaktionen von Sihm (M = 0,1,2,3) mit H erhalten
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)
Gemäß der Standardproduktionswärme von Grundzustandsmolekülen betragen die für die oben genannten Dissoziationsprozesse (2.1) ~ (2.5) erforderlichen Energien 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV bzw. 4,5 EV. Hochenergetische Elektronen im Plasma können auch die folgenden Ionisierungsreaktionen durchlaufen
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)
Die für (2.6) ~ (2.9) benötigte Energie beträgt 11,9, 12,3, 13,6 bzw. 15,3 EV. Aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsenergie ist die Wahrscheinlichkeit der (2.1) ~ (2.9)-Reaktionen sehr ungleichmäßig. Darüber hinaus wird das mit dem Reaktionsprozess (2.1) ~ (2.5) gebildete Sihm die folgenden Sekundärreaktionen zur Ionisierung durchlaufen, wie z
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Wenn die obige Reaktion mittels eines Einelektronenprozesses durchgeführt wird, beträgt die benötigte Energie etwa 12 eV oder mehr. Angesichts der Tatsache, dass die Anzahl hochenergetischer Elektronen über 10 ev im schwach ionisierten Plasma mit einer Elektronendichte von 1010 cm-3 unter Atmosphärendruck (10–100 Pa) für die Herstellung von Filmen auf Siliziumbasis relativ gering ist, ist die kumulierte Die Ionisationswahrscheinlichkeit ist im Allgemeinen kleiner als die Anregungswahrscheinlichkeit. Daher ist der Anteil der oben genannten ionisierten Verbindungen im Silanplasma sehr gering und die neutrale Gruppe von Sihm dominiert. Auch die Ergebnisse der Massenspektrumanalyse belegen diese Schlussfolgerung [8]. Bourquard et al. Weiter wurde darauf hingewiesen, dass die Konzentration von Sihm in der Reihenfolge von SiH3, SiH2, Si und SIH abnahm, die Konzentration von SiH3 jedoch höchstens dreimal so hoch war wie die von SIH. Robertson et al. Berichten zufolge wurde in den neutralen Sihm-Produkten hauptsächlich reines Silan für die Entladung mit hoher Leistung verwendet, während Sih3 hauptsächlich für die Entladung mit niedriger Leistung verwendet wurde. Die Konzentrationsreihenfolge von hoch nach niedrig war SiH3, SiH, Si, SiH2. Daher haben die Plasmaprozessparameter einen starken Einfluss auf die Zusammensetzung von Sihm-Neutralprodukten.
Neben den oben genannten Dissoziations- und Ionisierungsreaktionen sind auch die Sekundärreaktionen zwischen ionischen Molekülen von großer Bedeutung
SiH2++SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Daher ist sih3+ in Bezug auf die Ionenkonzentration größer als sih2+. Dies kann erklären, warum es im SiH4-Plasma mehr sih3+-Ionen als sih2+-Ionen gibt.
Darüber hinaus kommt es zu einer Molekülatom-Kollisionsreaktion, bei der die Wasserstoffatome im Plasma den Wasserstoff in SiH4 einfangen
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Es handelt sich um eine exotherme Reaktion und eine Vorstufe für die Bildung von si2h6. Natürlich sind diese Gruppen nicht nur im Grundzustand, sondern auch im Plasma in den angeregten Zustand angeregt. Die Emissionsspektren von Silanplasma zeigen, dass es optisch zulässige angeregte Übergangszustände von Si, SIH, h und angeregte Schwingungszustände von SiH2, SiH3 gibt
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.04.2021