Tecnoloxía básica de deposición química de vapor potenciada por plasma (PECVD)

1. Principais procesos de deposición química de vapor potenciada por plasma

A deposición de vapor químico mellorada por plasma (PECVD) é unha nova tecnoloxía para o crecemento de películas finas mediante a reacción química de substancias gasosas coa axuda de plasma de descarga luminosa. Debido a que a tecnoloxía PECVD prepárase mediante descarga de gas, as características de reacción do plasma sen equilibrio utilízanse de forma eficaz e o modo de subministración de enerxía do sistema de reacción cámbiase fundamentalmente. En xeral, cando se usa a tecnoloxía PECVD para preparar películas finas, o crecemento de películas finas inclúe principalmente os seguintes tres procesos básicos

En primeiro lugar, no plasma sen equilibrio, os electróns reaccionan co gas de reacción na fase primaria para descompoñer o gas de reacción e formar unha mestura de ións e grupos activos;

En segundo lugar, todo tipo de grupos activos difunden e transportan á superficie e á parede da película, e as reaccións secundarias entre os reactivos ocorren ao mesmo tempo;

Finalmente, todo tipo de produtos de reacción primarios e secundarios que chegan á superficie de crecemento son adsorbidos e reaccionan coa superficie, acompañado da reliberación de moléculas gasosas.

En concreto, a tecnoloxía PECVD baseada no método de descarga de brillo pode facer que o gas de reacción se ionize para formar plasma baixo a excitación dun campo electromagnético externo. No plasma de descarga luminosa, a enerxía cinética dos electróns acelerada polo campo eléctrico externo adoita ser duns 10 ev, ou incluso superior, o que é suficiente para destruír os enlaces químicos das moléculas de gas reactivo. Polo tanto, a través da colisión inelástica de electróns de alta enerxía e moléculas de gas reactivas, as moléculas de gas ionizaranse ou descompoñeranse para producir átomos neutros e produtos moleculares. Os ións positivos son acelerados pola capa iónica que acelera o campo eléctrico e chocan co electrodo superior. Tamén hai un pequeno campo eléctrico de capa iónica preto do electrodo inferior, polo que o substrato tamén é bombardeado por ións ata certo punto. Como resultado, a substancia neutra producida pola descomposición difúndese á parede do tubo e ao substrato. No proceso de deriva e difusión, estas partículas e grupos (os átomos e moléculas neutras químicamente activos chámanse grupos) sufrirán reaccións de moléculas iónicas e reaccións de moléculas de grupo debido ao camiño libre medio curto. As propiedades químicas das substancias químicas activas (principalmente grupos) que chegan ao substrato e se adsorben son moi activas, e a película fórmase pola interacción entre elas.

2. Reaccións químicas no plasma

Debido a que a excitación do gas de reacción no proceso de descarga luminosa é principalmente unha colisión de electróns, as reaccións elementais no plasma son varias e a interacción entre o plasma e a superficie sólida tamén é moi complexa, o que dificulta o estudo do mecanismo. do proceso PECVD. Ata o momento, moitos sistemas de reacción importantes foron optimizados mediante experimentos para obter películas con propiedades ideais. Para a deposición de películas delgadas a base de silicio baseadas na tecnoloxía PECVD, se o mecanismo de deposición pode ser revelado profundamente, a taxa de deposición de películas delgadas a base de silicio pódese aumentar moito coa premisa de garantir as excelentes propiedades físicas dos materiais.

Na actualidade, na investigación de películas finas a base de silicio, o silano diluído en hidróxeno (SiH4) úsase amplamente como gas de reacción porque hai unha certa cantidade de hidróxeno nas películas finas a base de silicio. H xoga un papel moi importante nas películas finas a base de silicio. Pode encher os enlaces colgantes na estrutura do material, reducir moito o nivel de enerxía do defecto e realizar facilmente o control de electróns de valencia dos materiais Desde Spear et al. Primeiro decatouse do efecto dopaxe das películas finas de silicio e preparouse a primeira unión PN, a investigación sobre a preparación e aplicación de películas finas a base de silicio baseada na tecnoloxía PECVD foi desenvolvida a pasos agigantados. Polo tanto, a reacción química en películas delgadas a base de silicio depositadas pola tecnoloxía PECVD describirase e comentarase a continuación.

Baixo a condición de descarga luminosa, debido a que os electróns do plasma de silano teñen máis de varias enerxías EV, H2 e SiH4 descompoñeranse cando choquen con electróns, que pertencen á reacción primaria. Se non consideramos os estados excitados intermedios, podemos obter as seguintes reaccións 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)

Segundo a calor de produción estándar das moléculas do estado fundamental, as enerxías necesarias para os procesos de disociación anteriores (2.1) ~ (2.5) son 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV e 4.5 EV respectivamente. Os electróns de alta enerxía no plasma tamén poden sufrir as seguintes reaccións 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)

A enerxía necesaria para (2,6) ~ (2,9) é de 11,9, 12,3, 13,6 e 15,3 EV respectivamente. Debido á diferenza de enerxía de reacción, a probabilidade de reaccións (2.1) ~ (2.9) é moi desigual. Ademais, o sihm formado co proceso de reacción (2.1) ~ (2.5) sufrirá as seguintes reaccións secundarias para ionizarse, como

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Se a reacción anterior se realiza mediante un só proceso de electróns, a enerxía necesaria é duns 12 eV ou máis. Tendo en conta o feito de que o número de electróns de alta enerxía superior a 10ev no plasma débilmente ionizado cunha densidade electrónica de 1010 cm-3 é relativamente pequeno baixo a presión atmosférica (10-100pa) para a preparación de películas a base de silicio, o acumulado a probabilidade de ionización é xeralmente menor que a probabilidade de excitación. Polo tanto, a proporción dos compostos ionizados anteriores no plasma de silano é moi pequena e o grupo neutro de sihm é dominante. Os resultados da análise do espectro de masas tamén proban esta conclusión [8]. Bourquard et al. Ademais, sinalou que a concentración de sihm diminuíu na orde de sih3, sih2, Si e SIH, pero a concentración de SiH3 era como máximo tres veces a de SIH. Robertson et al. Informeu de que nos produtos neutros de sihm, o silano puro utilizouse principalmente para a descarga de alta potencia, mentres que sih3 utilizouse principalmente para a descarga de baixa potencia. A orde de concentración de maior a baixa foi SiH3, SiH, Si, SiH2. Polo tanto, os parámetros do proceso de plasma afectan fortemente a composición dos produtos neutros sihm.

Ademais das reaccións de disociación e ionización anteriores, tamén son moi importantes as reaccións secundarias entre moléculas iónicas.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Polo tanto, en termos de concentración de ións, sih3 + é máis que sih2 +. Pode explicar por que hai máis ións sih3 + que ións sih2 + no plasma SiH4.

Ademais, haberá unha reacción de colisión de átomos moleculares na que os átomos de hidróxeno do plasma capturan o hidróxeno en SiH4

H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)

É unha reacción exotérmica e precursora da formación de si2h6. Por suposto, estes grupos non só están no estado fundamental, senón que tamén están excitados ao estado excitado no plasma. Os espectros de emisión do plasma de silano mostran que hai estados excitados de transición ópticamente admisibles de Si, SIH, h e estados excitados vibracionais de SiH2, SiH3.