1. Glavni procesi plazma pojačanog kemijskog taloženja iz pare
Plazma pojačano kemijsko taloženje iz pare (PECVD) je nova tehnologija za rast tankih filmova kemijskom reakcijom plinovitih tvari uz pomoć plazme tinjajućeg izboja. Budući da je PECVD tehnologija pripremljena plinskim pražnjenjem, karakteristike reakcije neravnotežne plazme se učinkovito iskorištavaju, a način opskrbe energijom reakcijskog sustava je iz temelja promijenjen. Općenito govoreći, kada se PECVD tehnologija koristi za pripremu tankih filmova, rast tankih filmova uglavnom uključuje sljedeća tri osnovna procesa
Prvo, u neravnotežnoj plazmi, elektroni reagiraju s reakcijskim plinom u primarnoj fazi kako bi razgradili reakcijski plin i formirali smjesu iona i aktivnih skupina;
Drugo, sve vrste aktivnih skupina difundiraju i transportiraju se na površinu i stijenku filma, a sekundarne reakcije između reaktanata događaju se u isto vrijeme;
Konačno, sve vrste primarnih i sekundarnih produkata reakcije koji dospiju na površinu rasta adsorbiraju se i reagiraju s površinom, popraćeno ponovnim oslobađanjem plinovitih molekula.
Konkretno, PECVD tehnologija koja se temelji na metodi tinjajućeg pražnjenja može učiniti da se reakcijski plin ionizira u obliku plazme pod pobudom vanjskog elektromagnetskog polja. U plazmi tinjajućeg izboja, kinetička energija elektrona ubrzanih vanjskim električnim poljem obično je oko 10ev, ili čak i više, što je dovoljno da uništi kemijske veze reaktivnih molekula plina. Stoga, kroz neelastični sraz visokoenergetskih elektrona i reaktivnih molekula plina, molekule plina će se ionizirati ili razgraditi kako bi proizveli neutralne atome i molekularne proizvode. Pozitivne ione ubrzava električno polje koje ubrzava ionski sloj i sudaraju se s gornjom elektrodom. Također postoji malo električno polje ionskog sloja u blizini donje elektrode, tako da je i supstrat u određenoj mjeri bombardiran ionima. Kao rezultat toga, neutralna tvar nastala razgradnjom difundira do stijenke cijevi i podloge. U procesu drifta i difuzije, te će čestice i skupine (kemijski aktivni neutralni atomi i molekule nazivaju se skupinama) proći kroz reakciju ionske molekule i reakciju grupne molekule zbog kratkog prosječnog slobodnog puta. Kemijska svojstva kemijski aktivnih tvari (uglavnom skupina) koje dospijevaju na supstrat i adsorbiraju se vrlo su aktivna, a film nastaje međudjelovanjem među njima.
2. Kemijske reakcije u plazmi
Budući da je pobuda reakcijskog plina u procesu tinjajućeg pražnjenja uglavnom sudar elektrona, elementarne reakcije u plazmi su različite, a interakcija između plazme i čvrste površine također je vrlo složena, što otežava proučavanje mehanizma procesa PECVD. Do sada su mnogi važni reakcijski sustavi optimizirani eksperimentima kako bi se dobili filmovi s idealnim svojstvima. Za taloženje tankih filmova na bazi silicija na temelju PECVD tehnologije, ako se mehanizam taloženja može duboko otkriti, brzina taloženja tankih filmova na bazi silicija može se znatno povećati pod pretpostavkom osiguravanja izvrsnih fizičkih svojstava materijala.
Trenutačno se u istraživanju tankih filmova na bazi silicija naširoko koristi silan razrijeđen vodikom (SiH4) kao reakcijski plin jer postoji određena količina vodika u tankim filmovima na bazi silicija. H igra vrlo važnu ulogu u tankim filmovima na bazi silicija. Može popuniti viseće veze u strukturi materijala, uvelike smanjiti razinu energije defekta i lako ostvariti kontrolu valentnih elektrona materijala Budući da spear et al. Prvi je shvatio učinak dopinga silicijevih tankih filmova i pripremio prvi PN spoj u, istraživanje o pripremi i primjeni tankih filmova na bazi silicija na temelju PECVD tehnologije napredovalo je velikim koracima. Stoga će kemijska reakcija u tankim filmovima na bazi silicija nanesenim PECVD tehnologijom biti opisana i raspravljena u nastavku.
U uvjetima tinjajućeg pražnjenja, budući da elektroni u silanskoj plazmi imaju više od nekoliko EV energije, H2 i SiH4 će se razgraditi kada se sudare s elektronima, što pripada primarnoj reakciji. Ako ne uzmemo u obzir srednja pobuđena stanja, možemo dobiti sljedeće reakcije disocijacije sihma (M = 0,1,2,3) s 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)
Prema standardnoj toplini proizvodnje molekula u osnovnom stanju, energije potrebne za gore navedene procese disocijacije (2.1) ~ (2.5) su 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV i 4.5 EV redom. Elektroni visoke energije u plazmi također mogu proći kroz sljedeće reakcije ionizacije
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)
Energija potrebna za (2.6) ~ (2.9) je 11.9, 12.3, 13.6 odnosno 15.3 EV. Zbog razlike u energiji reakcije, vjerojatnost (2.1) ~ (2.9) reakcija je vrlo neujednačena. Osim toga, sihm formiran reakcijskim procesom (2.1) ~ (2.5) proći će kroz sljedeće sekundarne reakcije ionizacije, kao što je
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ako se gornja reakcija izvodi pomoću procesa s jednim elektronom, potrebna energija je oko 12 eV ili više. S obzirom na činjenicu da je broj elektrona visoke energije iznad 10 ev u slabo ioniziranoj plazmi s gustoćom elektrona od 1010 cm-3 relativno mali pod atmosferskim tlakom (10-100 pa) za pripremu filmova na bazi silicija, kumulativni vjerojatnost ionizacije općenito je manja od vjerojatnosti pobude. Stoga je udio gore navedenih ioniziranih spojeva u silanskoj plazmi vrlo mali, a dominantna je neutralna skupina sihma. Rezultati analize masenog spektra također potvrđuju ovaj zaključak [8]. Bourquard i sur. Nadalje je istaknuo da se koncentracija sihma smanjivala redoslijedom sih3, sih2, Si i SIH, ali je koncentracija SiH3 bila najviše tri puta veća od SIH. Robertson i sur. Izvijestio je da se u neutralnim proizvodima sihma čisti silan uglavnom koristio za pražnjenje velike snage, dok se sih3 uglavnom koristio za pražnjenje male snage. Redoslijed koncentracije od visoke prema niskoj bio je SiH3, SiH, Si, SiH2. Stoga parametri plazma procesa snažno utječu na sastav sihm neutralnih proizvoda.
Uz gore navedene reakcije disocijacije i ionizacije, vrlo su važne i sekundarne reakcije između ionskih molekula
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Stoga, u smislu koncentracije iona, sih3 + je veći od sih2 +. Može objasniti zašto u SiH4 plazmi ima više sih3 + iona nego sih2 + iona.
Osim toga, doći će do reakcije sudara molekularnih atoma u kojoj atomi vodika u plazmi hvataju vodik u SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
To je egzotermna reakcija i prethodnik za stvaranje si2h6. Naravno, te skupine nisu samo u osnovnom stanju, već su i pobuđene do pobuđenog stanja u plazmi. Emisioni spektri silanske plazme pokazuju da postoje optički prihvatljiva prijelazna pobuđena stanja Si, SIH, h i vibracijski pobuđena stanja SiH2, SiH3
Vrijeme objave: 7. travnja 2021