1. Κύριες διεργασίες χημικής εναπόθεσης ατμών ενισχυμένης με πλάσμα
Η χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (PECVD) είναι μια νέα τεχνολογία για την ανάπτυξη λεπτών υμενίων με χημική αντίδραση αερίων ουσιών με τη βοήθεια πλάσματος εκκένωσης λάμψης. Επειδή η τεχνολογία PECVD παρασκευάζεται με εκκένωση αερίου, τα χαρακτηριστικά αντίδρασης του πλάσματος μη ισορροπίας χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά και ο τρόπος παροχής ενέργειας του συστήματος αντίδρασης αλλάζει ριζικά. Σε γενικές γραμμές, όταν η τεχνολογία PECVD χρησιμοποιείται για την παρασκευή λεπτών μεμβρανών, η ανάπτυξη των λεπτών μεμβρανών περιλαμβάνει κυρίως τις ακόλουθες τρεις βασικές διαδικασίες
Πρώτον, στο πλάσμα μη ισορροπίας, τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με το αέριο της αντίδρασης στο αρχικό στάδιο για να αποσυνθέσουν το αέριο της αντίδρασης και να σχηματίσουν ένα μείγμα ιόντων και ενεργών ομάδων.
Δεύτερον, όλα τα είδη ενεργών ομάδων διαχέονται και μεταφέρονται στην επιφάνεια και το τοίχωμα της μεμβράνης και οι δευτερογενείς αντιδράσεις μεταξύ των αντιδρώντων συμβαίνουν ταυτόχρονα.
Τέλος, όλα τα είδη πρωτογενών και δευτερογενών προϊόντων αντίδρασης που φτάνουν στην επιφάνεια ανάπτυξης απορροφώνται και αντιδρούν με την επιφάνεια, συνοδευόμενη από την εκ νέου απελευθέρωση αερίων μορίων.
Συγκεκριμένα, η τεχνολογία PECVD που βασίζεται στη μέθοδο εκκένωσης λάμψης μπορεί να κάνει το αέριο της αντίδρασης να ιονιστεί για να σχηματίσει πλάσμα υπό τη διέγερση εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Στο πλάσμα εκκένωσης λάμψης, η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που επιταχύνεται από το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο είναι συνήθως περίπου 10ev, ή ακόμη υψηλότερη, η οποία είναι αρκετή για να καταστρέψει τους χημικούς δεσμούς των αντιδραστικών μορίων αερίου. Επομένως, μέσω της ανελαστικής σύγκρουσης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας και μορίων αντιδραστικών αερίων, τα μόρια του αερίου θα ιονιστούν ή θα αποσυντεθούν για να παράγουν ουδέτερα άτομα και μοριακά προϊόντα. Τα θετικά ιόντα επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο που επιταχύνει το στρώμα ιόντων και συγκρούονται με το άνω ηλεκτρόδιο. Υπάρχει επίσης ένα μικρό ηλεκτρικό πεδίο στοιβάδας ιόντων κοντά στο κάτω ηλεκτρόδιο, επομένως το υπόστρωμα βομβαρδίζεται επίσης από ιόντα σε κάποιο βαθμό. Ως αποτέλεσμα, η ουδέτερη ουσία που παράγεται από την αποσύνθεση διαχέεται στο τοίχωμα του σωλήνα και στο υπόστρωμα. Στη διαδικασία της μετατόπισης και της διάχυσης, αυτά τα σωματίδια και οι ομάδες (τα χημικά ενεργά ουδέτερα άτομα και μόρια ονομάζονται ομάδες) θα υποστούν αντίδραση μορίου ιόντων και αντίδραση μορίων ομάδας λόγω της σύντομης μέσης ελεύθερης διαδρομής. Οι χημικές ιδιότητες των χημικών δραστικών ουσιών (κυρίως ομάδων) που φτάνουν στο υπόστρωμα και απορροφώνται είναι πολύ δραστικές και το φιλμ σχηματίζεται από την μεταξύ τους αλληλεπίδραση.
2. Χημικές αντιδράσεις στο πλάσμα
Επειδή η διέγερση του αερίου αντίδρασης στη διαδικασία εκκένωσης λάμψης είναι κυρίως σύγκρουση ηλεκτρονίων, οι στοιχειώδεις αντιδράσεις στο πλάσμα είναι ποικίλες και η αλληλεπίδραση μεταξύ του πλάσματος και της στερεής επιφάνειας είναι επίσης πολύ περίπλοκη, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολη τη μελέτη του μηχανισμού της διαδικασίας PECVD. Μέχρι στιγμής, πολλά σημαντικά συστήματα αντίδρασης έχουν βελτιστοποιηθεί με πειράματα για να ληφθούν φιλμ με ιδανικές ιδιότητες. Για την εναπόθεση λεπτών μεμβρανών με βάση το πυρίτιο που βασίζονται στην τεχνολογία PECVD, εάν ο μηχανισμός εναπόθεσης μπορεί να αποκαλυφθεί σε βάθος, ο ρυθμός εναπόθεσης λεπτών μεμβρανών με βάση το πυρίτιο μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με την προϋπόθεση της διασφάλισης των εξαιρετικών φυσικών ιδιοτήτων των υλικών.
Επί του παρόντος, στην έρευνα λεπτών μεμβρανών με βάση το πυρίτιο, το υδρογόνο αραιωμένο σιλάνιο (SiH4) χρησιμοποιείται ευρέως ως αέριο αντίδρασης επειδή υπάρχει μια ορισμένη ποσότητα υδρογόνου στα λεπτά φιλμ με βάση το πυρίτιο. Το H παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στις λεπτές μεμβράνες με βάση το πυρίτιο. Μπορεί να γεμίσει τους κρεμαμένους δεσμούς στη δομή του υλικού, να μειώσει σημαντικά το επίπεδο ενέργειας του ελαττώματος και να συνειδητοποιήσει εύκολα τον έλεγχο ηλεκτρονίων σθένους των υλικών Δεδομένου ότι η δόρυ et al. Πρώτα συνειδητοποίησε το φαινόμενο ντόπινγκ των λεπτών υμενίων πυριτίου και ετοίμασε την πρώτη διασταύρωση PN, η έρευνα για την προετοιμασία και την εφαρμογή λεπτών υμενίων με βάση το πυρίτιο που βασίζονται στην τεχνολογία PECVD αναπτύχθηκε με άλματα και όρια. Επομένως, η χημική αντίδραση σε λεπτές μεμβράνες με βάση το πυρίτιο που εναποτίθενται με τεχνολογία PECVD θα περιγραφεί και θα συζητηθεί στη συνέχεια.
Υπό τις συνθήκες εκφόρτισης λάμψης, επειδή τα ηλεκτρόνια στο πλάσμα του σιλανίου έχουν περισσότερη από αρκετές EV ενέργεια, το H2 και το SiH4 θα αποσυντεθούν όταν συγκρούονται με ηλεκτρόνια, τα οποία ανήκουν στην κύρια αντίδραση. Αν δεν λάβουμε υπόψη τις ενδιάμεσες διεγερμένες καταστάσεις, μπορούμε να πάρουμε τις ακόλουθες αντιδράσεις διάστασης του sihm (M = 0,1,2,3) με 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)
Σύμφωνα με την τυπική θερμότητα παραγωγής των μορίων βασικής κατάστασης, οι ενέργειες που απαιτούνται για τις παραπάνω διαδικασίες διάστασης (2.1) ~ (2.5) είναι 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV και 4.5 EV αντίστοιχα. Τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στο πλάσμα μπορούν επίσης να υποστούν τις ακόλουθες αντιδράσεις ιονισμού
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)
Η ενέργεια που απαιτείται για (2,6) ~ (2,9) είναι 11,9, 12,3, 13,6 και 15,3 EV αντίστοιχα. Λόγω της διαφοράς της ενέργειας αντίδρασης, η πιθανότητα (2.1) ~ (2.9) αντιδράσεων είναι πολύ άνιση. Επιπλέον, το sihm που σχηματίζεται με τη διαδικασία αντίδρασης (2.1) ~ (2.5) θα υποστεί τις ακόλουθες δευτερεύουσες αντιδράσεις για να ιονιστεί, όπως π.χ.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Εάν η παραπάνω αντίδραση διεξάγεται μέσω μιας διαδικασίας ενός μόνο ηλεκτρονίου, η ενέργεια που απαιτείται είναι περίπου 12 eV ή περισσότερο. Δεδομένου ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας άνω των 10ev στο ασθενώς ιονισμένο πλάσμα με πυκνότητα ηλεκτρονίων 1010cm-3 είναι σχετικά μικρός υπό την ατμοσφαιρική πίεση (10-100pa) για την παρασκευή φιλμ με βάση το πυρίτιο, η αθροιστική η πιθανότητα ιονισμού είναι γενικά μικρότερη από την πιθανότητα διέγερσης. Επομένως, η αναλογία των παραπάνω ιονισμένων ενώσεων στο πλάσμα του σιλανίου είναι πολύ μικρή και η ουδέτερη ομάδα του sihm είναι κυρίαρχη. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης φάσματος μάζας αποδεικνύουν επίσης αυτό το συμπέρασμα [8]. Οι Bourquard et al. Περαιτέρω επεσήμανε ότι η συγκέντρωση του sihm μειώθηκε κατά την τάξη των sih3, sih2, Si και SIH, αλλά η συγκέντρωση του SiH3 ήταν το πολύ τρεις φορές μεγαλύτερη από αυτή του SIH. Οι Robertson et al. Αναφέρθηκε ότι στα ουδέτερα προϊόντα του sihm, το καθαρό σιλάνιο χρησιμοποιήθηκε κυρίως για εκφόρτιση υψηλής ισχύος, ενώ το sih3 χρησιμοποιήθηκε κυρίως για εκφόρτιση χαμηλής ισχύος. Η σειρά συγκέντρωσης από υψηλή σε χαμηλή ήταν SiH3, SiH, Si, SiH2. Επομένως, οι παράμετροι της διαδικασίας πλάσματος επηρεάζουν έντονα τη σύνθεση των ουδέτερων προϊόντων sihm.
Εκτός από τις παραπάνω αντιδράσεις διάστασης και ιονισμού, πολύ σημαντικές είναι και οι δευτερογενείς αντιδράσεις μεταξύ ιοντικών μορίων
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Επομένως, όσον αφορά τη συγκέντρωση ιόντων, το sih3 + είναι περισσότερο από το sih2 +. Μπορεί να εξηγήσει γιατί υπάρχουν περισσότερα ιόντα sih3 + από ιόντα sih2 + στο πλάσμα SiH4.
Επιπλέον, θα υπάρξει μια αντίδραση σύγκρουσης μοριακού ατόμου κατά την οποία τα άτομα υδρογόνου στο πλάσμα δεσμεύουν το υδρογόνο στο SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Είναι μια εξώθερμη αντίδραση και πρόδρομος για το σχηματισμό του si2h6. Φυσικά, αυτές οι ομάδες δεν βρίσκονται μόνο στη βασική κατάσταση, αλλά και διεγερμένες στη διεγερμένη κατάσταση στο πλάσμα. Τα φάσματα εκπομπής του πλάσματος σιλανίου δείχνουν ότι υπάρχουν οπτικά αποδεκτές διεγερμένες καταστάσεις μετάβασης των Si, SIH, h και καταστάσεις διεγέρσεως δόνησης των SiH2, SiH3
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-07-2021