प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव (PECVD) की बुनियादी तकनीक

1. प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव की मुख्य प्रक्रियाएँ

प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव (पीईसीवीडी) ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मा की मदद से गैसीय पदार्थों की रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा पतली फिल्मों के विकास के लिए एक नई तकनीक है। क्योंकि पीईसीवीडी तकनीक गैस डिस्चार्ज द्वारा तैयार की जाती है, गैर-संतुलन प्लाज्मा की प्रतिक्रिया विशेषताओं का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है, और प्रतिक्रिया प्रणाली की ऊर्जा आपूर्ति मोड मौलिक रूप से बदल जाती है। सामान्यतया, जब PECVD तकनीक का उपयोग पतली फिल्में तैयार करने के लिए किया जाता है, तो पतली फिल्मों के विकास में मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन बुनियादी प्रक्रियाएं शामिल होती हैं

सबसे पहले, गैर-संतुलन प्लाज्मा में, इलेक्ट्रॉन प्राथमिक चरण में प्रतिक्रिया गैस के साथ प्रतिक्रिया करके प्रतिक्रिया गैस को विघटित करते हैं और आयनों और सक्रिय समूहों का मिश्रण बनाते हैं;

दूसरे, सभी प्रकार के सक्रिय समूह फैलते हैं और फिल्म की सतह और दीवार पर परिवहन करते हैं, और अभिकारकों के बीच द्वितीयक प्रतिक्रियाएं एक ही समय में होती हैं;

अंत में, विकास की सतह पर पहुंचने वाले सभी प्रकार के प्राथमिक और माध्यमिक प्रतिक्रिया उत्पाद अवशोषित हो जाते हैं और सतह के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, साथ ही गैसीय अणुओं की पुनः रिहाई होती है।

विशेष रूप से, ग्लो डिस्चार्ज विधि पर आधारित पीईसीवीडी तकनीक बाहरी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के उत्तेजना के तहत प्रतिक्रिया गैस को आयनित करके प्लाज्मा बना सकती है। ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मा में, बाहरी विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित किए गए इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा आमतौर पर लगभग 10ev या इससे भी अधिक होती है, जो प्रतिक्रियाशील गैस अणुओं के रासायनिक बंधनों को नष्ट करने के लिए पर्याप्त है। इसलिए, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों और प्रतिक्रियाशील गैस अणुओं की बेलोचदार टक्कर के माध्यम से, तटस्थ परमाणुओं और आणविक उत्पादों का उत्पादन करने के लिए गैस अणुओं को आयनित या विघटित किया जाएगा। आयन परत द्वारा विद्युत क्षेत्र को तेज करने से सकारात्मक आयन त्वरित हो जाते हैं और ऊपरी इलेक्ट्रोड से टकराते हैं। निचले इलेक्ट्रोड के पास एक छोटा आयन परत विद्युत क्षेत्र भी होता है, इसलिए सब्सट्रेट पर भी कुछ हद तक आयनों की बमबारी होती है। परिणामस्वरूप, अपघटन द्वारा उत्पन्न तटस्थ पदार्थ ट्यूब की दीवार और सब्सट्रेट तक फैल जाता है। बहाव और प्रसार की प्रक्रिया में, ये कण और समूह (रासायनिक रूप से सक्रिय तटस्थ परमाणु और अणु समूह कहलाते हैं) छोटे औसत मुक्त पथ के कारण आयन अणु प्रतिक्रिया और समूह अणु प्रतिक्रिया से गुजरेंगे। रासायनिक सक्रिय पदार्थों (मुख्य रूप से समूह) के रासायनिक गुण जो सब्सट्रेट तक पहुंचते हैं और सोख लिए जाते हैं, बहुत सक्रिय होते हैं, और उनके बीच की बातचीत से फिल्म बनती है।

2. प्लाज्मा में रासायनिक प्रतिक्रियाएँ

क्योंकि ग्लो डिस्चार्ज प्रक्रिया में प्रतिक्रिया गैस की उत्तेजना मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन टकराव होती है, प्लाज्मा में प्राथमिक प्रतिक्रियाएं विभिन्न होती हैं, और प्लाज्मा और ठोस सतह के बीच बातचीत भी बहुत जटिल होती है, जिससे तंत्र का अध्ययन करना अधिक कठिन हो जाता है PECVD प्रक्रिया की. आदर्श गुणों वाली फिल्में प्राप्त करने के लिए अब तक कई महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया प्रणालियों को प्रयोगों द्वारा अनुकूलित किया गया है। PECVD तकनीक पर आधारित सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों के जमाव के लिए, यदि जमाव तंत्र को गहराई से प्रकट किया जा सकता है, तो सामग्रियों के उत्कृष्ट भौतिक गुणों को सुनिश्चित करने के आधार पर सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों की जमाव दर को काफी बढ़ाया जा सकता है।

वर्तमान में, सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों के अनुसंधान में, हाइड्रोजन पतला सिलेन (SiH4) का व्यापक रूप से प्रतिक्रिया गैस के रूप में उपयोग किया जाता है क्योंकि सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों में हाइड्रोजन की एक निश्चित मात्रा होती है। सिलिकॉन आधारित पतली फिल्मों में एच बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह सामग्री संरचना में लटकते बंधनों को भर सकता है, दोष ऊर्जा स्तर को काफी कम कर सकता है, और स्पीयर एट अल के बाद से सामग्री के वैलेंस इलेक्ट्रॉन नियंत्रण को आसानी से महसूस कर सकता है। सबसे पहले सिलिकॉन पतली फिल्मों के डोपिंग प्रभाव का एहसास हुआ और पहला पीएन जंक्शन तैयार किया गया, पीईसीवीडी तकनीक पर आधारित सिलिकॉन आधारित पतली फिल्मों की तैयारी और अनुप्रयोग पर अनुसंधान छलांग और सीमा से विकसित किया गया है। इसलिए, PECVD तकनीक द्वारा जमा की गई सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों में रासायनिक प्रतिक्रिया का वर्णन और चर्चा निम्नलिखित में की जाएगी।

ग्लो डिस्चार्ज स्थिति के तहत, क्योंकि सिलेन प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉनों में कई ईवी ऊर्जा से अधिक होती है, H2 और SiH4 इलेक्ट्रॉनों से टकराने पर विघटित हो जाएंगे, जो प्राथमिक प्रतिक्रिया से संबंधित है। यदि हम मध्यवर्ती उत्तेजित अवस्थाओं पर विचार नहीं करते हैं, तो हम H के साथ sihm (M = 0,1,2,3) की निम्नलिखित पृथक्करण प्रतिक्रियाएँ प्राप्त कर सकते हैं

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)

जमीनी अवस्था के अणुओं के उत्पादन की मानक ऊष्मा के अनुसार, उपरोक्त पृथक्करण प्रक्रियाओं (2.1) ~ (2.5) के लिए आवश्यक ऊर्जाएँ क्रमशः 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 ईवी और 4.5 ईवी हैं। प्लाज्मा में उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन निम्नलिखित आयनीकरण प्रतिक्रियाओं से भी गुजर सकते हैं

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) के लिए आवश्यक ऊर्जा क्रमशः 11.9, 12.3, 13.6 और 15.3 ईवी है। प्रतिक्रिया ऊर्जा के अंतर के कारण, (2.1) ~ (2.9) प्रतिक्रियाओं की संभावना बहुत असमान है। इसके अलावा, प्रतिक्रिया प्रक्रिया (2.1) ~ (2.5) के साथ गठित सिह्म आयनीकरण के लिए निम्नलिखित माध्यमिक प्रतिक्रियाओं से गुजरेगा, जैसे कि

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

यदि उपरोक्त प्रतिक्रिया एकल इलेक्ट्रॉन प्रक्रिया के माध्यम से की जाती है, तो आवश्यक ऊर्जा लगभग 12 eV या अधिक है। इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि सिलिकॉन-आधारित फिल्मों की तैयारी के लिए वायुमंडलीय दबाव (10-100pa) के तहत 1010cm-3 के इलेक्ट्रॉन घनत्व के साथ कमजोर आयनित प्लाज्मा में 10ev से ऊपर उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की संख्या अपेक्षाकृत कम है, संचयी आयनीकरण संभाव्यता आम तौर पर उत्तेजना संभाव्यता से छोटी होती है। इसलिए, सिलेन प्लाज्मा में उपरोक्त आयनित यौगिकों का अनुपात बहुत छोटा है, और सिह्म का तटस्थ समूह प्रमुख है। मास स्पेक्ट्रम विश्लेषण के परिणाम भी इस निष्कर्ष को साबित करते हैं [8]। बॉर्क्वार्ड एट अल. आगे बताया गया कि sih3, sih2, Si और SIH के क्रम में sihm की सांद्रता में कमी आई, लेकिन SiH3 की सांद्रता SIH की तुलना में अधिकतम तीन गुना थी। रॉबर्टसन एट अल. बताया गया कि सिह्म के तटस्थ उत्पादों में, शुद्ध सिलेन का उपयोग मुख्य रूप से उच्च-शक्ति निर्वहन के लिए किया जाता था, जबकि सिह्म 3 का उपयोग मुख्य रूप से कम-शक्ति निर्वहन के लिए किया जाता था। उच्च से निम्न तक सांद्रता का क्रम SiH3, SiH, Si, SiH2 था। इसलिए, प्लाज्मा प्रक्रिया पैरामीटर सीएचएम तटस्थ उत्पादों की संरचना को दृढ़ता से प्रभावित करते हैं।

उपरोक्त पृथक्करण और आयनीकरण प्रतिक्रियाओं के अलावा, आयनिक अणुओं के बीच माध्यमिक प्रतिक्रियाएं भी बहुत महत्वपूर्ण हैं

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

इसलिए, आयन सांद्रता के संदर्भ में, sih3 + sih2 + से अधिक है। यह समझा सकता है कि SiH4 प्लाज्मा में sih2 + आयनों की तुलना में अधिक sih3 + आयन क्यों हैं।

इसके अलावा, एक आणविक परमाणु टकराव प्रतिक्रिया होगी जिसमें प्लाज्मा में हाइड्रोजन परमाणु SiH4 में हाइड्रोजन को पकड़ लेते हैं

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

यह एक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रिया है और si2h6 के निर्माण का अग्रदूत है। बेशक, ये समूह न केवल जमीनी अवस्था में हैं, बल्कि प्लाज्मा में उत्तेजित अवस्था में भी हैं। सिलेन प्लाज्मा के उत्सर्जन स्पेक्ट्रा से पता चलता है कि Si, SIH, h की वैकल्पिक रूप से स्वीकार्य संक्रमण उत्तेजित अवस्थाएँ और SiH2, SiH3 की कंपनात्मक उत्तेजित अवस्थाएँ हैं।