1. Plasmalla tehostetun kemiallisen höyrypinnoituksen pääprosessit
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) on uusi tekniikka ohuiden kalvojen kasvattamiseen kaasumaisten aineiden kemiallisella reaktiolla hehkupurkausplasman avulla. Koska PECVD-tekniikka valmistetaan kaasupurkauksella, epätasapainoisen plasman reaktio-ominaisuudet hyödynnetään tehokkaasti ja reaktiojärjestelmän energiansyöttötapa muuttuu perusteellisesti. Yleisesti ottaen, kun PECVD-tekniikkaa käytetään ohuiden kalvojen valmistukseen, ohutkalvojen kasvu sisältää pääasiassa seuraavat kolme perusprosessia
Ensinnäkin epätasapainoisessa plasmassa elektronit reagoivat reaktiokaasun kanssa primäärivaiheessa hajottaen reaktiokaasun ja muodostaen seoksen ioneista ja aktiivisista ryhmistä;
Toiseksi kaikenlaiset aktiiviset ryhmät diffundoituvat ja kulkeutuvat kalvon pintaan ja seinämään, ja toissijaiset reaktiot reagoivien aineiden välillä tapahtuvat samanaikaisesti;
Lopuksi kaikenlaiset primaariset ja sekundaariset reaktiotuotteet, jotka saavuttavat kasvupinnan, adsorboituvat ja reagoivat pinnan kanssa, jolloin kaasumaisia molekyylejä vapautuu uudelleen.
Erityisesti hehkupurkausmenetelmään perustuva PECVD-tekniikka voi saada reaktiokaasun ionisoitumaan muodostaen plasmaa ulkoisen sähkömagneettisen kentän virittyessä. Hehkupurkausplasmassa ulkoisen sähkökentän kiihdyttämien elektronien kineettinen energia on yleensä noin 10ev tai jopa suurempi, mikä riittää tuhoamaan reaktiivisten kaasumolekyylien kemialliset sidokset. Siksi korkeaenergisten elektronien ja reaktiivisten kaasumolekyylien joustamattoman törmäyksen seurauksena kaasumolekyylit ionisoituvat tai hajoavat neutraalien atomien ja molekyylituotteiden tuottamiseksi. Positiiviset ionit kiihtyvät ionikerroksen kiihdyttävän sähkökentän vaikutuksesta ja törmäävät yläelektrodiin. Alemman elektrodin lähellä on myös pieni ionikerroksen sähkökenttä, joten myös substraattia pommitetaan jossain määrin ioneilla. Tämän seurauksena hajoamisen tuottama neutraali aine diffundoituu putken seinämään ja alustaan. Ajelehtimisen ja diffuusion aikana nämä hiukkaset ja ryhmät (kemiallisesti aktiivisia neutraaleja atomeja ja molekyylejä kutsutaan ryhmiksi) käyvät läpi ionimolekyylireaktion ja ryhmämolekyylireaktion lyhyen keskimääräisen vapaan reitin vuoksi. Substraattiin pääsevien ja adsorboituvien kemiallisten aktiivisten aineiden (pääasiassa ryhmien) kemialliset ominaisuudet ovat erittäin aktiivisia, ja kalvo muodostuu niiden välisestä vuorovaikutuksesta.
2. Kemialliset reaktiot plasmassa
Koska reaktiokaasun viritys hehkupurkausprosessissa on pääasiassa elektronien törmäystä, plasman alkuainereaktiot ovat erilaisia ja plasman ja kiinteän pinnan välinen vuorovaikutus on myös erittäin monimutkainen, mikä vaikeuttaa mekanismin tutkimista. PECVD-prosessista. Tähän mennessä monia tärkeitä reaktiojärjestelmiä on optimoitu kokein, jotta saadaan ihanteelliset ominaisuudet omaavia kalvoja. PECVD-tekniikkaan perustuvien piipohjaisten ohutkalvojen pinnoituksessa, jos kerrostusmekanismi voidaan paljastaa syvästi, voidaan piipohjaisten ohutkalvojen kerrostumisnopeutta suurentaa huomattavasti sillä edellytyksellä, että varmistetaan materiaalien erinomaiset fysikaaliset ominaisuudet.
Tällä hetkellä piipohjaisten ohutkalvojen tutkimuksessa reaktiokaasuna käytetään laajasti vetyä laimennettua silaania (SiH4), koska piipohjaisissa ohuissa kalvoissa on tietty määrä vetyä. H:lla on erittäin tärkeä rooli piipohjaisissa ohuissa kalvoissa. Se voi täyttää roikkuvat sidokset materiaalirakenteessa, vähentää huomattavasti vikojen energiatasoa ja toteuttaa helposti materiaalien valenssielektronisäädön, koska keihäs et al. Ensin oivaltanut piiohutkalvojen dopingvaikutuksen ja valmistellut ensimmäisen PN-liitoksen, PECVD-teknologiaan perustuvaa piipohjaisten ohutkalvojen valmistuksen ja levityksen tutkimusta on kehitetty harppauksin. Siksi kemiallinen reaktio piipohjaisissa ohuissa kalvoissa, jotka on kerrostettu PECVD-tekniikalla, kuvataan ja käsitellään seuraavassa.
Hehkupurkaustilanteessa, koska silaaniplasman elektroneilla on enemmän kuin useita EV-energiaa, H2 ja SiH4 hajoavat, kun ne törmäävät elektronien kanssa, mikä kuuluu primäärireaktioon. Jos emme ota huomioon välivirittyneitä tiloja, voimme saada seuraavat sihmin (M = 0,1,2,3) dissosiaatioreaktiot H:n kanssa
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)
Perustilamolekyylien normaalin tuotantolämmön mukaan yllä oleviin dissosiaatioprosesseihin (2.1) ~ (2.5) tarvittavat energiat ovat 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ja 4.5 EV. Plasman korkeaenergiset elektronit voivat myös käydä läpi seuraavat ionisaatioreaktiot
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) vaatima energia on 11,9, 12,3, 13,6 ja 15,3 EV. Reaktioenergian erosta johtuen (2.1) ~ (2.9) reaktioiden todennäköisyys on hyvin epätasainen. Lisäksi reaktioprosessilla (2.1) ~ (2.5) muodostuneet sihmit käyvät läpi seuraavat sekundaarireaktiot ionisoituakseen, kuten esim.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Jos yllä oleva reaktio suoritetaan yhden elektronin prosessin avulla, tarvittava energia on noin 12 eV tai enemmän. Ottaen huomioon, että korkeaenergisten elektronien määrä yli 10 ev heikosti ionisoidussa plasmassa, jonka elektronitiheys on 1010 cm-3, on suhteellisen pieni ilmakehän paineessa (10-100pa) piipohjaisten kalvojen valmistuksessa, kumulatiivinen ionisaatiotodennäköisyys on yleensä pienempi kuin viritystodennäköisyys. Siksi edellä mainittujen ionisoitujen yhdisteiden osuus silaaniplasmassa on hyvin pieni ja neutraali sihm-ryhmä on hallitseva. Myös massaspektrianalyysin tulokset todistavat tämän päätelmän [8]. Bourquard et ai. Lisäksi huomautti, että sihmin pitoisuus laski sih3:n, sih2:n, Si:n ja SIH:n luokkaa, mutta SiH3:n pitoisuus oli korkeintaan kolme kertaa SIH:n pitoisuus. Robertson et ai. Kertoi, että sihmin neutraaleissa tuotteissa puhdasta silaania käytettiin pääasiassa suuritehoisiin purkauksiin, kun taas sih3:a käytettiin pääasiassa pienitehoisiin purkauksiin. Konsentraatiojärjestys korkeasta matalaan oli SiH3, SiH, Si, SiH2. Siksi plasmaprosessin parametrit vaikuttavat voimakkaasti sihm-neutraalien tuotteiden koostumukseen.
Edellä mainittujen dissosiaatio- ja ionisaatioreaktioiden lisäksi ionimolekyylien väliset sekundaarireaktiot ovat myös erittäin tärkeitä
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Siksi ionipitoisuuden kannalta sih3 + on enemmän kuin sih2 +. Se voi selittää, miksi SiH4-plasmassa on enemmän sih3+-ioneja kuin sih2+-ioneja.
Lisäksi tapahtuu molekyyliatomien törmäysreaktio, jossa plasman vetyatomit vangitsevat SiH4:ssä olevan vedyn
H+ SiH4 → SiH3+H2 (2,14)
Se on eksoterminen reaktio ja esiaste si2h6:n muodostumiselle. Tietenkin nämä ryhmät eivät ole vain perustilassa, vaan myös virittyneitä plasmassa olevaan virittyneeseen tilaan. Silaaniplasman emissiospektrit osoittavat, että Si:llä, SIH:lla, h:lla on optisesti hyväksyttäviä siirtymävirittyneitä tiloja ja SiH2:n, SiH3:n värähtelyvirittyneitä tiloja
Postitusaika: 07.04.2021