فناوری پایه رسوب بخار شیمیایی افزایش یافته پلاسما (PECVD)

1. فرآیندهای اصلی افزایش رسوب بخار شیمیایی پلاسما

رسوب دهی بخار شیمیایی افزایش یافته پلاسما (PECVD) یک فناوری جدید برای رشد لایه های نازک با واکنش شیمیایی مواد گازی با کمک پلاسمای تخلیه درخشان است. از آنجایی که فناوری PECVD با تخلیه گاز تهیه می‌شود، ویژگی‌های واکنش پلاسمای غیرتعادلی به طور موثر مورد استفاده قرار می‌گیرد و حالت تامین انرژی سیستم واکنش به طور اساسی تغییر می‌کند. به طور کلی، هنگامی که از فناوری PECVD برای تهیه لایه های نازک استفاده می شود، رشد لایه های نازک عمدتاً شامل سه فرآیند اساسی زیر است.

اولاً، در پلاسمای غیر تعادلی، الکترون‌ها در مرحله اولیه با گاز واکنش واکنش می‌دهند تا گاز واکنش را تجزیه کنند و مخلوطی از یون‌ها و گروه‌های فعال را تشکیل دهند.

ثانیاً، انواع گروه‌های فعال پخش می‌شوند و به سطح و دیواره فیلم منتقل می‌شوند و واکنش‌های ثانویه بین واکنش‌دهنده‌ها در همان زمان اتفاق می‌افتد.

در نهایت، انواع محصولات واکنش اولیه و ثانویه که به سطح رشد می رسند، جذب شده و با سطح واکنش می دهند و با آزاد شدن مجدد مولکول های گازی همراه است.

به طور خاص، فناوری PECVD مبتنی بر روش تخلیه تابش می‌تواند گاز واکنش را یونیزه کند و تحت تحریک میدان الکترومغناطیسی خارجی پلاسما تشکیل دهد. در پلاسمای تخلیه درخشان، انرژی جنبشی الکترون‌هایی که توسط میدان الکتریکی خارجی شتاب می‌گیرند، معمولاً حدود 10 ولت یا حتی بیشتر است، که برای از بین بردن پیوندهای شیمیایی مولکول‌های گاز راکتیو کافی است. بنابراین، از طریق برخورد غیرالاستیک الکترون‌های پرانرژی و مولکول‌های گاز واکنش‌پذیر، مولکول‌های گاز یونیزه یا تجزیه می‌شوند تا اتم‌های خنثی و محصولات مولکولی تولید کنند. یون های مثبت توسط لایه یونی شتاب دهنده میدان الکتریکی شتاب می گیرند و با الکترود بالایی برخورد می کنند. همچنین یک میدان الکتریکی لایه یونی کوچک در نزدیکی الکترود پایینی وجود دارد، بنابراین بستر نیز تا حدی توسط یون ها بمباران می شود. در نتیجه، ماده خنثی حاصل از تجزیه به دیواره لوله و بستر پخش می شود. در فرآیند رانش و انتشار، این ذرات و گروه‌ها (اتم‌ها و مولکول‌های خنثی فعال شیمیایی گروه نامیده می‌شوند) به دلیل کوتاه بودن مسیر آزاد متوسط، تحت واکنش مولکولی یونی و واکنش مولکولی گروهی قرار می‌گیرند. خواص شیمیایی مواد فعال شیمیایی (عمدتاً گروه‌ها) که به زیرلایه می‌رسند و جذب می‌شوند، بسیار فعال هستند و فیلم از برهمکنش بین آنها تشکیل می‌شود.

2. واکنش های شیمیایی در پلاسما

از آنجایی که برانگیختگی گاز واکنش در فرآیند تخلیه درخشش عمدتاً برخورد الکترون است، واکنش‌های اولیه در پلاسما متفاوت است و برهمکنش بین پلاسما و سطح جامد نیز بسیار پیچیده است که مطالعه مکانیسم را دشوارتر می‌کند. فرآیند PECVD تاکنون، بسیاری از سیستم‌های واکنش مهم با آزمایش‌ها برای به دست آوردن فیلم‌هایی با خواص ایده‌آل بهینه شده‌اند. برای رسوب لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون بر اساس فناوری PECVD، اگر مکانیسم رسوب‌گذاری عمیقا آشکار شود، نرخ رسوب لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون را می‌توان تا حد زیادی با فرض اطمینان از خواص فیزیکی عالی مواد افزایش داد.

در حال حاضر، در تحقیقات لایه های نازک مبتنی بر سیلیکون، سیلان رقیق شده با هیدروژن (SiH4) به طور گسترده ای به عنوان گاز واکنش استفاده می شود زیرا مقدار مشخصی هیدروژن در لایه های نازک مبتنی بر سیلیکون وجود دارد. H نقش بسیار مهمی در لایه های نازک مبتنی بر سیلیکون دارد. این می تواند پیوندهای آویزان در ساختار مواد را پر کند، سطح انرژی نقص را تا حد زیادی کاهش دهد، و به راحتی کنترل الکترون ظرفیت مواد را درک کند از اسپیر و همکاران. ابتدا متوجه اثر دوپینگ لایه‌های نازک سیلیکونی شد و اولین اتصال PN را تهیه کرد، تحقیق در مورد تهیه و کاربرد لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون بر اساس فناوری PECVD به‌طور جهشی توسعه یافته است. بنابراین، واکنش شیمیایی در لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون رسوب‌شده توسط فناوری PECVD در ادامه شرح و بحث خواهد شد.

در شرایط تخلیه درخششی، چون الکترون‌های پلاسمای سیلان بیش از چندین انرژی EV دارند، H2 و SiH4 در هنگام برخورد با الکترون‌ها تجزیه می‌شوند که متعلق به واکنش اولیه است. اگر حالت‌های برانگیخته میانی را در نظر نگیریم، می‌توانیم واکنش‌های تفکیک زیر سیهم (M = 0,1,2,3) را با H بدست آوریم.

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)

با توجه به حرارت استاندارد تولید مولکول های حالت پایه، انرژی مورد نیاز برای فرآیندهای تفکیک فوق (2.1) ~ (2.5) به ترتیب 2.1، 4.1، 4.4، 5.9 EV و 4.5 EV است. الکترون های پرانرژی در پلاسما نیز می توانند تحت واکنش های یونیزاسیون زیر قرار گیرند

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)

انرژی مورد نیاز برای (2.6) ~ (2.9) به ترتیب 11.9، 12.3، 13.6 و 15.3 EV است. به دلیل تفاوت انرژی واکنش، احتمال واکنش های (2.1) ~ (2.9) بسیار ناهموار است. علاوه بر این، سیهم تشکیل شده با فرآیند واکنش (2.1) ~ (2.5) برای یونیزه شدن تحت واکنش های ثانویه زیر قرار می گیرد، مانند

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

اگر واکنش فوق با استفاده از یک فرآیند تک الکترونی انجام شود، انرژی مورد نیاز حدود 12 eV یا بیشتر است. با توجه به این واقعیت که تعداد الکترون های پرانرژی بالای 10ev در پلاسمای ضعیف یونیزه شده با چگالی الکترونی 1010cm-3 تحت فشار اتمسفر (10-100pa) برای تهیه فیلم های مبتنی بر سیلیکون نسبتا کم است. احتمال یونیزاسیون به طور کلی کمتر از احتمال تحریک است. بنابراین، نسبت ترکیبات یونیزه شده فوق در پلاسمای سیلان بسیار کم است و گروه خنثی sihm غالب است. نتایج تحلیل طیف جرمی نیز این نتیجه را اثبات می کند [8]. بورکوارد و همکاران در ادامه خاطرنشان کرد که غلظت sihm به ترتیب sih3، sih2، Si و SIH کاهش یافت، اما غلظت SiH3 حداکثر سه برابر SIH بود. رابرتسون و همکاران گزارش شده است که در محصولات خنثی sihm، سیلان خالص عمدتا برای تخلیه با توان بالا استفاده می شود، در حالی که sih3 عمدتا برای تخلیه با توان کم استفاده می شود. ترتیب غلظت از زیاد به کم SiH3، SiH، Si، SiH2 بود. بنابراین، پارامترهای فرآیند پلاسما به شدت بر ترکیب محصولات خنثی sihm تأثیر می گذارد.

علاوه بر واکنش های تفکیک و یونیزاسیون فوق، واکنش های ثانویه بین مولکول های یونی نیز بسیار مهم است.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

بنابراین، از نظر غلظت یون، sih3 + بیشتر از sih2 + است. این می تواند توضیح دهد که چرا یون های sih3 + بیشتر از یون های sih2 + در پلاسمای SiH4 وجود دارد.

علاوه بر این، یک واکنش برخورد اتم مولکولی وجود خواهد داشت که در آن اتم های هیدروژن در پلاسما، هیدروژن SiH4 را جذب می کنند.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

این یک واکنش گرمازا و پیش ساز برای تشکیل si2h6 است. البته این گروه ها نه تنها در حالت پایه هستند، بلکه در پلاسما به حالت برانگیخته نیز برانگیخته می شوند. طیف انتشار پلاسمای سیلان نشان می دهد که حالت های برانگیخته انتقال نوری قابل قبول Si، SIH، h و حالت های برانگیخته ارتعاشی SiH2، SiH3 وجود دارد.