1. Principales procesos de deposición química de vapor potenciada por plasma.
La deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD) es una nueva tecnología para el crecimiento de películas delgadas mediante la reacción química de sustancias gaseosas con la ayuda de plasma de descarga luminosa. Debido a que la tecnología PECVD se prepara mediante descarga de gas, las características de reacción del plasma en desequilibrio se utilizan de manera efectiva y el modo de suministro de energía del sistema de reacción cambia fundamentalmente. En términos generales, cuando se utiliza la tecnología PECVD para preparar películas delgadas, el crecimiento de películas delgadas incluye principalmente los siguientes tres procesos básicos
En primer lugar, en el plasma en desequilibrio, los electrones reaccionan con el gas de reacción en la etapa primaria para descomponer el gas de reacción y formar una mezcla de iones y grupos activos;
En segundo lugar, todo tipo de grupos activos se difunden y transportan a la superficie y pared de la película, y las reacciones secundarias entre los reactivos ocurren al mismo tiempo;
Finalmente, todo tipo de productos de reacción primaria y secundaria que llegan a la superficie de crecimiento son adsorbidos y reaccionan con la superficie, acompañado de la liberación de moléculas gaseosas.
Específicamente, la tecnología PECVD basada en el método de descarga luminosa puede hacer que el gas de reacción se ionice para formar plasma bajo la excitación de un campo electromagnético externo. En el plasma de descarga luminosa, la energía cinética de los electrones acelerados por un campo eléctrico externo suele ser de unos 10 ev, o incluso más, lo que es suficiente para destruir los enlaces químicos de las moléculas de gas reactivas. Por lo tanto, mediante la colisión inelástica de electrones de alta energía y moléculas de gas reactivas, las moléculas de gas se ionizarán o descompondrán para producir átomos neutros y productos moleculares. Los iones positivos son acelerados por el campo eléctrico de aceleración de la capa de iones y chocan con el electrodo superior. También hay un pequeño campo eléctrico de capa de iones cerca del electrodo inferior, por lo que el sustrato también es bombardeado por iones hasta cierto punto. Como resultado, la sustancia neutra producida por la descomposición se difunde hacia la pared del tubo y el sustrato. En el proceso de deriva y difusión, estas partículas y grupos (los átomos y moléculas neutros químicamente activos se denominan grupos) sufrirán una reacción de molécula de ion y una reacción de molécula de grupo debido al corto camino libre promedio. Las propiedades químicas de las sustancias químicas activas (principalmente grupos) que llegan al sustrato y se adsorben son muy activas, y la película se forma por la interacción entre ellas.
2. Reacciones químicas en plasma.
Debido a que la excitación del gas de reacción en el proceso de descarga luminosa es principalmente una colisión de electrones, las reacciones elementales en el plasma son diversas y la interacción entre el plasma y la superficie sólida también es muy compleja, lo que dificulta el estudio del mecanismo. del proceso PECVD. Hasta ahora, muchos sistemas de reacción importantes se han optimizado mediante experimentos para obtener películas con propiedades ideales. Para la deposición de películas delgadas a base de silicio basadas en tecnología PECVD, si el mecanismo de deposición se puede revelar profundamente, la tasa de deposición de películas delgadas a base de silicio se puede aumentar considerablemente bajo la premisa de garantizar las excelentes propiedades físicas de los materiales.
En la actualidad, en la investigación de películas delgadas a base de silicio, el silano diluido con hidrógeno (SiH4) se usa ampliamente como gas de reacción porque hay una cierta cantidad de hidrógeno en las películas delgadas a base de silicio. H juega un papel muy importante en las películas delgadas a base de silicio. Puede llenar los enlaces colgantes en la estructura del material, reducir en gran medida el nivel de energía del defecto y realizar fácilmente el control de los electrones de valencia de los materiales. Desde Spear et al. Primero se dio cuenta del efecto dopante de las películas delgadas de silicio y se preparó la primera unión PN. La investigación sobre la preparación y aplicación de películas delgadas a base de silicio basadas en la tecnología PECVD se ha desarrollado a pasos agigantados. Por lo tanto, a continuación se describirá y discutirá la reacción química en películas delgadas a base de silicio depositadas mediante tecnología PECVD.
En la condición de descarga luminosa, debido a que los electrones en el plasma de silano tienen más de varios EV de energía, el H2 y el SiH4 se descompondrán cuando colisionen con electrones, lo que pertenece a la reacción primaria. Si no consideramos los estados excitados intermedios, podemos obtener las siguientes reacciones de disociación de sihm (M = 0,1,2,3) con 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)
Según el calor estándar de producción de moléculas en estado fundamental, las energías requeridas para los procesos de disociación anteriores (2.1) ~ (2.5) son 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV y 4,5 EV respectivamente. Los electrones de alta energía en el plasma también pueden sufrir las siguientes reacciones de ionización.
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)
La energía requerida para (2.6) ~ (2.9) es 11.9, 12.3, 13.6 y 15.3 EV respectivamente. Debido a la diferencia de energía de reacción, la probabilidad de las reacciones (2.1) ~ (2.9) es muy desigual. Además, el sihm formado con el proceso de reacción (2.1) ~ (2.5) sufrirá las siguientes reacciones secundarias para ionizarse, como
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Si la reacción anterior se lleva a cabo mediante un proceso de un solo electrón, la energía requerida es de aproximadamente 12 eV o más. En vista del hecho de que el número de electrones de alta energía por encima de 10 ev en el plasma débilmente ionizado con una densidad electrónica de 1010 cm-3 es relativamente pequeño bajo la presión atmosférica (10-100 pa) para la preparación de películas a base de silicio, el acumulado La probabilidad de ionización es generalmente menor que la probabilidad de excitación. Por lo tanto, la proporción de los compuestos ionizados anteriores en el plasma de silano es muy pequeña y el grupo neutro de sihm es dominante. Los resultados del análisis del espectro de masas también prueban esta conclusión [8]. Bourquard et al. Señaló además que la concentración de sihm disminuyó en el orden de sih3, sih2, Si y SIH, pero la concentración de SiH3 fue como máximo tres veces mayor que la de SIH. Robertson et al. Informó que en los productos neutros de sihm, el silano puro se usó principalmente para descargas de alta potencia, mientras que sih3 se usó principalmente para descargas de baja potencia. El orden de concentración de mayor a menor fue SiH3, SiH, Si, SiH2. Por lo tanto, los parámetros del proceso del plasma afectan fuertemente la composición de los productos neutros.
Además de las reacciones de disociación e ionización anteriores, las reacciones secundarias entre moléculas iónicas también son muy importantes.
SiH2++SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Por lo tanto, en términos de concentración de iones, sih3+ es mayor que sih2+. Puede explicar por qué hay más iones sih3+ que iones sih2+ en el plasma de SiH4.
Además, habrá una reacción de colisión de átomos moleculares en la que los átomos de hidrógeno del plasma capturan el hidrógeno en SiH4.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Es una reacción exotérmica y precursora de la formación de si2h6. Por supuesto, estos grupos no sólo están en el estado fundamental, sino que también están excitados al estado excitado en el plasma. Los espectros de emisión del plasma de silano muestran que existen estados excitados de transición ópticamente admisibles de Si, SIH, h y estados excitados vibratorios de SiH2, SiH3.
Hora de publicación: 07-abr-2021