1. Plasma võimendatud keemilise aurustamise-sadestamise peamised protsessid
Plasma tõhustatud keemiline aurustamine-sadestamine (PECVD) on uus tehnoloogia õhukeste kilede kasvatamiseks gaasiliste ainete keemilise reaktsiooni teel hõõglahendusplasma abil. Kuna PECVD-tehnoloogia valmistatakse gaaslahendusega, kasutatakse mittetasakaalulise plasma reaktsiooniomadusi tõhusalt ja reaktsioonisüsteemi energiavarustusrežiimi muudetakse põhjalikult. Üldiselt, kui õhukeste kilede valmistamiseks kasutatakse PECVD-tehnoloogiat, hõlmab õhukeste kilede kasvatamine peamiselt kolme järgmist põhiprotsessi
Esiteks, mittetasakaalulises plasmas reageerivad elektronid primaarses staadiumis reaktsioonigaasiga, lagundades reaktsioonigaasi ning moodustades ioonide ja aktiivsete rühmade segu;
Teiseks difundeeruvad ja transpordivad kile pinnale ja seinale igasugused aktiivsed rühmad ning samaaegselt toimuvad sekundaarsed reaktsioonid reagentide vahel;
Lõpuks adsorbeeritakse kõik kasvupinnale jõudvad primaarsed ja sekundaarsed reaktsioonisaadused ja reageerivad pinnaga, millega kaasneb gaasiliste molekulide taaseraldumine.
Täpsemalt võib hõõglahendusmeetodil põhinev PECVD-tehnoloogia panna reaktsioonigaasi ioniseeruma, moodustades välise elektromagnetvälja ergastamisel plasma. Hõõglahendusplasmas on välise elektrivälja toimel kiirendatud elektronide kineetiline energia tavaliselt umbes 10ev või isegi suurem, millest piisab reaktiivsete gaasimolekulide keemiliste sidemete hävitamiseks. Seetõttu ioniseeritakse või lagunevad gaasimolekulid suure energiaga elektronide ja reaktiivsete gaasimolekulide mitteelastsel kokkupõrkel neutraalsete aatomite ja molekulaarsete saaduste saamiseks. Positiivsed ioonid kiirendatakse elektrivälja kiirendava ioonikihi toimel ja põrkuvad ülemise elektroodiga. Alumise elektroodi lähedal on ka väike ioonkihi elektriväli, mistõttu substraati pommitatakse mingil määral ka ioonidega. Selle tulemusena hajub lagunemisel tekkiv neutraalne aine toru seinale ja aluspinnale. Triivimise ja difusiooni käigus läbivad need osakesed ja rühmad (keemiliselt aktiivseid neutraalseid aatomeid ja molekule nimetatakse rühmadeks) lühikese keskmise vaba tee tõttu ioonmolekuli reaktsiooni ja rühmamolekuli reaktsiooni. Substraadile jõudvate ja adsorbeeruvate keemiliste toimeainete (peamiselt rühmade) keemilised omadused on väga aktiivsed ning kile tekib nendevahelisel vastasmõjul.
2. Keemilised reaktsioonid plasmas
Kuna reaktsioonigaasi ergastamine hõõglahendusprotsessis on peamiselt elektronide kokkupõrge, on elementaarreaktsioonid plasmas erinevad ning plasma ja tahke pinna vastastikmõju on samuti väga keeruline, mistõttu on mehhanismi uurimine keerulisem. PECVD protsessist. Seni on ideaalsete omadustega kilede saamiseks katsetega optimeeritud paljusid olulisi reaktsioonisüsteeme. PECVD-tehnoloogial põhinevate ränipõhiste õhukeste kilede sadestamiseks, kui sadestamismehhanismi saab sügavalt paljastada, saab ränipõhiste õhukeste kilede sadestuskiirust oluliselt suurendada eeldusel, et tagatakse materjalide suurepärased füüsikalised omadused.
Praegu kasutatakse ränipõhiste õhukeste kilede uurimisel reaktsioonigaasina laialdaselt vesinikuga lahjendatud silaani (SiH4), kuna ränipõhistes õhukestes kiledes on teatud kogus vesinikku. H mängib ränipõhistes õhukestes kiledes väga olulist rolli. See võib täita rippuvad sidemed materjali struktuuris, vähendada oluliselt defekti energiataset ja hõlpsasti realiseerida materjalide valentselektronide kontrolli, kuna spear et al. Esmalt mõistis räni õhukeste kilede dopinguefekti ja valmistas ette esimese PN-siirde, ränipõhiste õhukeste kilede valmistamise ja pealekandmise uuringud PECVD tehnoloogial põhinevad hüppeliselt arenenud. Seetõttu kirjeldatakse ja arutatakse keemilist reaktsiooni PECVD-tehnoloogia abil sadestatud ränipõhistes õhukestes kiledes.
Hõõglahenduse tingimustes, kuna silaani plasmas olevatel elektronidel on rohkem kui mitu EV energiat, lagunevad H2 ja SiH4 nende kokkupõrkel elektronidega, mis kuulub primaarsesse reaktsiooni. Kui me ei arvesta vahepealseid ergastatud olekuid, saame järgmised sihmi (M = 0,1,2,3) dissotsiatsioonireaktsioonid H-ga
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)
Põhiolekumolekulide standardse tootmissoojuse järgi on ülaltoodud dissotsiatsiooniprotsesside jaoks (2,1) ~ (2,5) vajalikud energiad vastavalt 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV ja 4,5 EV. Suure energiaga elektronid plasmas võivad läbida ka järgmised ionisatsioonireaktsioonid
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)
(2,6) ~ (2,9) jaoks vajalik energia on vastavalt 11,9, 12,3, 13,6 ja 15,3 EV. Reaktsioonienergia erinevuse tõttu on (2,1) ~ (2,9) reaktsioonide tõenäosus väga ebaühtlane. Lisaks läbivad reaktsiooniprotsessiga (2.1) ~ (2.5) tekkinud sihmid ioniseerimiseks järgmised sekundaarsed reaktsioonid, näiteks
SiH+e→SiH++2e (2,10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2,12)
Kui ülaltoodud reaktsioon viiakse läbi ühe elektronprotsessi abil, on vajalik energia umbes 12 eV või rohkem. Pidades silmas asjaolu, et nõrgalt ioniseeritud plasmas, mille elektrontihedus on 1010 cm-3, on kõrge energiaga elektronide arv üle 10 ev atmosfäärirõhu all (10-100 pa) ränipõhiste kilede valmistamiseks suhteliselt väike. ionisatsiooni tõenäosus on üldiselt väiksem kui ergastamise tõenäosus. Seetõttu on ülaltoodud ioniseeritud ühendite osakaal silaani plasmas väga väike ja domineeriv on neutraalne sihmi rühm. Seda järeldust kinnitavad ka massispektri analüüsi tulemused [8]. Bourquard et al. Lisaks märkis, et sihmi kontsentratsioon vähenes sih3, sih2, Si ja SIH suurusjärgus, kuid SiH3 kontsentratsioon oli maksimaalselt kolm korda suurem kui SIH. Robertson et al. Teatas, et sihmi neutraalsetes toodetes kasutati puhast silaani peamiselt suure võimsusega tühjendamiseks, sih3 aga peamiselt väikese võimsusega tühjendamiseks. Kontsentratsiooni järjekord kõrgest madalani oli SiH3, SiH, Si, SiH2. Seetõttu mõjutavad plasmaprotsessi parameetrid tugevalt sihmi neutraalsete toodete koostist.
Lisaks ülaltoodud dissotsiatsiooni- ja ionisatsioonireaktsioonidele on väga olulised ka ioonsete molekulide vahelised sekundaarsed reaktsioonid
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Seetõttu on ioonide kontsentratsiooni järgi sih3 + suurem kui sih2 +. See võib selgitada, miks SiH4 plasmas on rohkem sih3 + ioone kui sih2 + ioone.
Lisaks toimub molekulaarse aatomi põrkereaktsioon, mille käigus vesinikuaatomid plasmas hõivavad vesiniku SiH4-s
H+ SiH4 → SiH3+H2 (2,14)
See on eksotermiline reaktsioon ja si2h6 moodustumise eelkäija. Loomulikult pole need rühmad mitte ainult põhiolekus, vaid ka plasmas ergastatud olekusse. Silaani plasma emissioonispektrid näitavad, et Si, SIH, h siirdeergastatud olekud ja SiH2, SiH3 vibratsioonilised ergastatud olekud on optiliselt vastuvõetavad.
Postitusaeg: aprill-07-2021