પ્લાઝ્મા ઉન્નત રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (PECVD) ની મૂળભૂત તકનીક

1. પ્લાઝ્મા ઉન્નત રાસાયણિક વરાળ જમા કરવાની મુખ્ય પ્રક્રિયાઓ

પ્લાઝ્મા ઉન્નત રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (PECVD) એ ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝ્માની મદદથી વાયુ પદાર્થોની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દ્વારા પાતળી ફિલ્મોના વિકાસ માટે નવી તકનીક છે. કારણ કે PECVD ટેક્નોલૉજી ગેસ ડિસ્ચાર્જ દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવે છે, બિન-સંતુલન પ્લાઝ્માની પ્રતિક્રિયા લાક્ષણિકતાઓનો અસરકારક રીતે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, અને પ્રતિક્રિયા પ્રણાલીનો ઊર્જા પુરવઠો મોડ મૂળભૂત રીતે બદલાઈ જાય છે. સામાન્ય રીતે કહીએ તો, જ્યારે પાતળી ફિલ્મો તૈયાર કરવા માટે PECVD ટેક્નોલોજીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પાતળી ફિલ્મોની વૃદ્ધિમાં મુખ્યત્વે નીચેની ત્રણ મૂળભૂત પ્રક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે.

સૌપ્રથમ, બિન-સંતુલન પ્લાઝ્મામાં, ઇલેક્ટ્રોન પ્રાથમિક તબક્કામાં પ્રતિક્રિયા વાયુને વિઘટન કરવા માટે પ્રતિક્રિયા ગેસ સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે અને આયનો અને સક્રિય જૂથોનું મિશ્રણ બનાવે છે;

બીજું, તમામ પ્રકારના સક્રિય જૂથો પ્રસરે છે અને ફિલ્મની સપાટી અને દિવાલ પર પરિવહન કરે છે, અને રિએક્ટન્ટ્સ વચ્ચેની ગૌણ પ્રતિક્રિયાઓ તે જ સમયે થાય છે;

અંતે, વૃદ્ધિની સપાટી પર પહોંચતા તમામ પ્રકારના પ્રાથમિક અને ગૌણ પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનો શોષાય છે અને સપાટી સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, તેની સાથે વાયુના અણુઓના પુનઃ પ્રકાશન સાથે.

ખાસ કરીને, ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પદ્ધતિ પર આધારિત PECVD તકનીક બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ક્ષેત્રના ઉત્તેજના હેઠળ પ્લાઝ્મા બનાવવા માટે પ્રતિક્રિયા ગેસને આયનાઇઝ કરી શકે છે. ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝ્મામાં, બાહ્ય વિદ્યુત ક્ષેત્ર દ્વારા પ્રવેગિત ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા સામાન્ય રીતે લગભગ 10ev, અથવા તેનાથી પણ વધુ હોય છે, જે પ્રતિક્રિયાશીલ ગેસના અણુઓના રાસાયણિક બંધનોને નષ્ટ કરવા માટે પૂરતી છે. તેથી, ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળા ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રતિક્રિયાશીલ ગેસના અણુઓની અસ્થિર અથડામણ દ્વારા, તટસ્થ અણુઓ અને પરમાણુ ઉત્પાદનો ઉત્પન્ન કરવા માટે ગેસના અણુઓ આયનીકરણ અથવા વિઘટિત થશે. સકારાત્મક આયનો આયન સ્તર દ્વારા વિદ્યુત ક્ષેત્રને વેગ આપે છે અને ઉપલા ઇલેક્ટ્રોડ સાથે અથડાય છે. નીચલા ઇલેક્ટ્રોડની નજીક એક નાનું આયન સ્તરનું વિદ્યુત ક્ષેત્ર પણ છે, તેથી સબસ્ટ્રેટ પણ અમુક અંશે આયનો દ્વારા તોપમારો કરે છે. પરિણામે, વિઘટન દ્વારા ઉત્પાદિત તટસ્થ પદાર્થ ટ્યુબની દિવાલ અને સબસ્ટ્રેટમાં ફેલાય છે. ડ્રિફ્ટ અને પ્રસરણની પ્રક્રિયામાં, આ કણો અને જૂથો (રાસાયણિક રીતે સક્રિય તટસ્થ અણુઓ અને પરમાણુઓને જૂથ કહેવામાં આવે છે) ટૂંકા સરેરાશ મુક્ત માર્ગને કારણે આયન પરમાણુ પ્રતિક્રિયા અને જૂથ પરમાણુ પ્રતિક્રિયામાંથી પસાર થશે. રાસાયણિક સક્રિય પદાર્થોના રાસાયણિક ગુણધર્મો (મુખ્યત્વે જૂથો) કે જે સબસ્ટ્રેટ સુધી પહોંચે છે અને શોષાય છે તે ખૂબ જ સક્રિય છે, અને તેમની વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા ફિલ્મની રચના થાય છે.

2. પ્લાઝ્મામાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ

કારણ કે ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયામાં પ્રતિક્રિયા ગેસની ઉત્તેજના મુખ્યત્વે ઇલેક્ટ્રોન અથડામણ છે, પ્લાઝમામાં પ્રાથમિક પ્રતિક્રિયાઓ વિવિધ છે, અને પ્લાઝ્મા અને નક્કર સપાટી વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પણ ખૂબ જ જટિલ છે, જે મિકેનિઝમનો અભ્યાસ કરવાનું વધુ મુશ્કેલ બનાવે છે. PECVD પ્રક્રિયાની. અત્યાર સુધી, આદર્શ ગુણધર્મો ધરાવતી ફિલ્મો મેળવવા માટે પ્રયોગો દ્વારા ઘણી મહત્વપૂર્ણ પ્રતિક્રિયા પ્રણાલીઓને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવી છે. PECVD ટેક્નોલોજી પર આધારિત સિલિકોન-આધારિત પાતળી ફિલ્મોના જુબાની માટે, જો ડિપોઝિશન મિકેનિઝમને ઊંડાણપૂર્વક જાહેર કરી શકાય, તો સામગ્રીના ઉત્તમ ભૌતિક ગુણધર્મોને સુનિશ્ચિત કરવાના આધાર પર સિલિકોન-આધારિત પાતળી ફિલ્મોના જમા દરમાં ઘણો વધારો કરી શકાય છે.

હાલમાં, સિલિકોન-આધારિત પાતળી ફિલ્મોના સંશોધનમાં, હાઇડ્રોજન પાતળું સિલેન (SiH4) વ્યાપકપણે પ્રતિક્રિયા ગેસ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે કારણ કે સિલિકોન-આધારિત પાતળી ફિલ્મોમાં હાઇડ્રોજનની ચોક્કસ માત્રા હોય છે. સિલિકોન આધારિત પાતળી ફિલ્મોમાં H ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. તે મટીરીયલ સ્ટ્રક્ચરમાં લટકતા બોન્ડને ભરી શકે છે, ખામી ઉર્જા સ્તરને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડી શકે છે, અને ભાલા એટ અલ હોવાથી સામગ્રીના વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન નિયંત્રણને સરળતાથી સમજી શકે છે. સૌપ્રથમ સિલિકોન પાતળી ફિલ્મોની ડોપિંગ અસરનો અહેસાસ થયો અને પ્રથમ PN જંકશન તૈયાર કર્યું, PECVD ટેક્નોલોજી પર આધારિત સિલિકોન આધારિત પાતળી ફિલ્મોની તૈયારી અને એપ્લિકેશન પર સંશોધન કૂદકે ને ભૂસકે વિકસિત થયું છે. તેથી, PECVD ટેક્નોલોજી દ્વારા જમા સિલિકોન-આધારિત પાતળી ફિલ્મોમાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા નીચે વર્ણવવામાં આવશે અને તેની ચર્ચા કરવામાં આવશે.

ગ્લો ડિસ્ચાર્જની સ્થિતિ હેઠળ, કારણ કે સિલેન પ્લાઝ્મામાં ઇલેક્ટ્રોન ઘણી EV ઊર્જા ધરાવે છે, H2 અને SiH4 જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન સાથે અથડાશે ત્યારે વિઘટિત થશે, જે પ્રાથમિક પ્રતિક્રિયા સાથે સંબંધિત છે. જો આપણે મધ્યવર્તી ઉત્તેજિત અવસ્થાઓને ધ્યાનમાં ન લઈએ, તો આપણે H સાથે સિહ્મ (M = 0,1,2,3) ની નીચેની વિયોજન પ્રતિક્રિયાઓ મેળવી શકીએ છીએ.

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)

ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ પરમાણુઓના ઉત્પાદનની પ્રમાણભૂત ગરમી અનુસાર, ઉપરોક્ત વિયોજન પ્રક્રિયાઓ (2.1) ~ (2.5) માટે જરૂરી ઊર્જા અનુક્રમે 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV અને 4.5 EV છે. પ્લાઝ્મામાં ઉચ્ચ ઉર્જા ઇલેક્ટ્રોન પણ નીચેની આયનીકરણ પ્રતિક્રિયાઓમાંથી પસાર થઈ શકે છે

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) માટે જરૂરી ઊર્જા અનુક્રમે 11.9, 12.3, 13.6 અને 15.3 EV છે. પ્રતિક્રિયા ઊર્જાના તફાવતને કારણે, (2.1) ~ (2.9) પ્રતિક્રિયાઓની સંભાવના ખૂબ જ અસમાન છે. વધુમાં, પ્રતિક્રિયા પ્રક્રિયા (2.1) ~ (2.5) સાથે રચાયેલ સિહમ આયનીકરણ માટે નીચેની ગૌણ પ્રતિક્રિયાઓમાંથી પસાર થશે, જેમ કે

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

જો ઉપરોક્ત પ્રતિક્રિયા એક જ ઈલેક્ટ્રોન પ્રક્રિયા દ્વારા કરવામાં આવે છે, તો જરૂરી ઉર્જા લગભગ 12 eV અથવા વધુ છે. 1010cm-3 ની ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા સાથે નબળા આયનાઇઝ્ડ પ્લાઝ્મામાં 10ev ઉપર ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળા ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા સિલિકોન-આધારિત ફિલ્મોની તૈયારી માટે વાતાવરણીય દબાણ (10-100pa) હેઠળ પ્રમાણમાં ઓછી છે તે જોતાં, સંચિત આયનીકરણ સંભાવના સામાન્ય રીતે ઉત્તેજના સંભાવના કરતાં નાની હોય છે. તેથી, સિલેન પ્લાઝ્મામાં ઉપરોક્ત આયોનાઇઝ્ડ સંયોજનોનું પ્રમાણ ખૂબ જ નાનું છે, અને સિહમનું તટસ્થ જૂથ પ્રબળ છે. માસ સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષણ પરિણામો પણ આ નિષ્કર્ષને સાબિત કરે છે [8]. બોરક્વાર્ડ એટ અલ. આગળ નિર્દેશ કર્યો કે સિહમની સાંદ્રતા sih3, sih2, Si અને SIH ના ક્રમમાં ઘટી છે, પરંતુ SiH3 ની સાંદ્રતા SIH કરતા ત્રણ ગણી વધારે હતી. રોબર્ટસન એટ અલ. અહેવાલ છે કે સિહમના તટસ્થ ઉત્પાદનોમાં, શુદ્ધ સિલેનનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ઉચ્ચ-પાવર ડિસ્ચાર્જ માટે કરવામાં આવતો હતો, જ્યારે sih3 મુખ્યત્વે ઓછી-પાવર ડિસ્ચાર્જ માટે વપરાય છે. ઉચ્ચથી નીચા સુધી સાંદ્રતાનો ક્રમ SiH3, SiH, Si, SiH2 હતો. તેથી, પ્લાઝ્મા પ્રક્રિયાના પરિમાણો સિહમ તટસ્થ ઉત્પાદનોની રચનાને મજબૂત રીતે અસર કરે છે.

ઉપરોક્ત વિયોજન અને આયનીકરણ પ્રતિક્રિયાઓ ઉપરાંત, આયનીય અણુઓ વચ્ચેની ગૌણ પ્રતિક્રિયાઓ પણ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

તેથી, આયન સાંદ્રતાના સંદર્ભમાં, sih3 + sih2 + કરતાં વધુ છે. તે સમજાવી શકે છે કે શા માટે SiH4 પ્લાઝ્મામાં sih2 + આયનો કરતાં વધુ sih3 + આયનો છે.

વધુમાં, એક પરમાણુ અણુ અથડામણની પ્રતિક્રિયા હશે જેમાં પ્લાઝ્મામાં હાઇડ્રોજન અણુ SiH4 માં હાઇડ્રોજનને પકડે છે.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

તે એક્ઝોથર્મિક પ્રતિક્રિયા છે અને si2h6 ની રચના માટે પુરોગામી છે. અલબત્ત, આ જૂથો માત્ર જમીનની સ્થિતિમાં જ નથી, પણ પ્લાઝ્મામાં ઉત્તેજિત રાજ્યમાં પણ ઉત્સાહિત છે. સિલેન પ્લાઝ્માનું ઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રા દર્શાવે છે કે Si, SIH, h, અને SiH2, SiH3 ની વાઇબ્રેશનલ ઉત્તેજિત અવસ્થાઓ ઓપ્ટિકલી સ્વીકાર્ય સંક્રમણ ઉત્તેજિત અવસ્થાઓ છે.