1. A plazmával erősített kémiai gőzleválasztás főbb folyamatai
A Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) egy új technológia vékony filmek előállítására gáznemű anyagok kémiai reakciójával, izzó kisülésű plazma segítségével. Mivel a PECVD technológia gázkisüléssel készül, a nem egyensúlyi plazma reakciójellemzői hatékonyan hasznosulnak, és a reakciórendszer energiaellátási módja alapvetően megváltozik. Általánosságban elmondható, hogy amikor a PECVD technológiát vékony filmek készítésére használják, a vékonyrétegek növekedése főként a következő három alapvető folyamatot foglalja magában
Először is, a nem egyensúlyi plazmában az elektronok reakcióba lépnek a reakciógázzal a primer szakaszban, lebontják a reakciógázt, és ionok és aktív csoportok keverékét képezik;
Másodszor, mindenféle aktív csoport diffundál és transzportál a film felületére és falára, és a reagensek közötti másodlagos reakciók egyidejűleg mennek végbe;
Végül a növekedési felületet elérő mindenféle primer és másodlagos reakciótermék adszorbeálódik és reakcióba lép a felülettel, amihez gáznemű molekulák újra felszabadulnak.
Pontosabban, az izzító kisülési módszeren alapuló PECVD technológia képes a reakciógázt ionizálni, és plazmát képezni külső elektromágneses tér gerjesztése alatt. Az izzító kisülésű plazmában a külső elektromos tér hatására felgyorsított elektronok mozgási energiája általában körülbelül 10ev, vagy még ennél is magasabb, ami elegendő a reaktív gázmolekulák kémiai kötéseinek elpusztításához. Ezért a nagy energiájú elektronok és a reaktív gázmolekulák rugalmatlan ütközése révén a gázmolekulák ionizálódnak vagy lebomlanak, így semleges atomok és molekuláris termékek keletkeznek. A pozitív ionok felgyorsulnak az ionréteg gyorsító elektromos mező hatására, és ütköznek a felső elektródával. Az alsó elektróda közelében is van egy kis ionréteg elektromos tér, így a hordozót is bombázzák bizonyos mértékig ionok. Ennek eredményeként a bomlás során keletkező semleges anyag a cső falára és az aljzatra diffundál. A sodródás és diffúzió során ezek a részecskék és csoportok (a kémiailag aktív semleges atomokat és molekulákat csoportoknak nevezzük) ionmolekula reakción és csoportmolekula reakción mennek keresztül a rövid átlagos szabad út miatt. A szubsztrátumot elérő és adszorbeálódó kémiai hatóanyagok (főleg csoportok) kémiai tulajdonságai nagyon aktívak, ezek kölcsönhatása révén jön létre a film.
2. Kémiai reakciók a plazmában
Mivel az izzítókisülési folyamatban a reakciógáz gerjesztése elsősorban elektronütközés, a plazmában az elemi reakciók változatosak, és a plazma és a szilárd felület közötti kölcsönhatás is nagyon összetett, ami megnehezíti a mechanizmus tanulmányozását. a PECVD folyamat. Eddig számos fontos reakciórendszert optimalizáltak kísérletekkel, hogy ideális tulajdonságú filmeket kapjanak. A szilícium alapú vékonyrétegek PECVD technológián alapuló leválasztásánál, ha a leválasztási mechanizmus mélyen feltárható, a szilícium alapú vékonyrétegek leválasztási sebessége nagymértékben növelhető az anyagok kiváló fizikai tulajdonságainak biztosítása mellett.
Jelenleg a szilícium alapú vékonyrétegek kutatásában a hidrogénnel hígított szilánt (SiH4) széles körben alkalmazzák reakciógázként, mivel a szilícium alapú vékonyrétegekben bizonyos mennyiségű hidrogén van. A H nagyon fontos szerepet játszik a szilícium alapú vékonyrétegekben. Meg tudja tölteni az anyagszerkezetben lévő lógó kötéseket, nagymértékben csökkenti a hiba energiaszintjét, és könnyen megvalósítja az anyagok vegyértékelektron-szabályozását, mivel Spear et al. A szilícium vékonyrétegek adalékos hatásának első felismerése és az első PN csomópont elkészítése, a szilícium alapú vékonyrétegek PECVD technológián alapuló előállításának és alkalmazásának kutatása ugrásszerűen fejlődött. Ezért a következőkben leírjuk és tárgyaljuk a PECVD technológiával leválasztott szilícium alapú vékony filmekben végbemenő kémiai reakciót.
Izzító kisülési körülmények között, mivel a szilán plazmában lévő elektronok több mint több EV energiával rendelkeznek, a H2 és a SiH4 elektronok ütközésekor lebomlik, ami az elsődleges reakcióhoz tartozik. Ha nem vesszük figyelembe a közbenső gerjesztett állapotokat, akkor a következő sihm (M = 0,1,2,3) disszociációs reakcióit kaphatjuk H-val
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)
Az alapállapotú molekulák szabványos termelési hője szerint a fenti disszociációs folyamatokhoz szükséges energiák (2.1) ~ (2.5) rendre 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV és 4.5 EV. A plazmában lévő nagy energiájú elektronok a következő ionizációs reakciókon is keresztülmenhetnek
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 (2,6) ~ (2,9)-hez szükséges energia rendre 11,9, 12,3, 13,6 és 15,3 EV. A reakcióenergia különbsége miatt a (2.1) ~ (2.9) reakciók valószínűsége nagyon egyenetlen. Ezenkívül a (2.1) ~ (2.5) reakcióeljárással képződött szihm a következő másodlagos ionizációs reakciókon megy keresztül, mint pl.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ha a fenti reakciót egyetlen elektronos eljárással hajtjuk végre, a szükséges energia körülbelül 12 eV vagy több. Tekintettel arra, hogy a gyengén ionizált, 1010cm-3 elektronsűrűségű plazmában 10ev feletti nagyenergiájú elektronok száma a légköri nyomáson (10-100pa) viszonylag kicsi a szilícium alapú filmek készítéséhez, a kumulatív Az ionizációs valószínűség általában kisebb, mint a gerjesztési valószínűség. Ezért a fenti ionizált vegyületek aránya a szilán plazmában nagyon kicsi, és a sihm semleges csoportja a domináns. A tömegspektrum-analízis eredményei is ezt a következtetést igazolják [8]. Bourquard et al. Továbbá rámutatott, hogy a sihm koncentrációja sih3, sih2, Si és SIH nagyságrendben csökkent, de a SiH3 koncentrációja legfeljebb háromszorosa volt a SIH-nak. Robertson és mtsai. Beszámolt arról, hogy a sihm semleges termékeiben a tiszta szilánt főként nagy teljesítményű kisülésekhez, míg a sih3-at főként kis teljesítményű kisülésekhez használták. A koncentráció sorrendje a magastól az alacsonyig: SiH3, SiH, Si, SiH2. Ezért a plazmafolyamat paraméterei erősen befolyásolják a sihm semleges termékek összetételét.
A fenti disszociációs és ionizációs reakciók mellett nagyon fontosak az ionos molekulák közötti másodlagos reakciók is.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Ezért az ionkoncentráció szempontjából a sih3 + több, mint a sih2 +. Ez megmagyarázhatja, hogy miért van több sih3 + ion, mint sih2 + ion a SiH4 plazmában.
Ezenkívül lesz egy molekuláris atom ütközési reakció, amelyben a plazmában lévő hidrogénatomok megragadják a hidrogént SiH4-ben
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Ez egy exoterm reakció és az si2h6 képződésének prekurzora. Természetesen ezek a csoportok nem csak alapállapotban vannak, hanem a plazmában is a gerjesztett állapotig vannak gerjesztve. A szilán plazma emissziós spektrumai azt mutatják, hogy vannak optikailag megengedhető átmeneti gerjesztett állapotok a Si, SIH, h, valamint a SiH2, SiH3 rezgésgerjesztett állapotai
Feladás időpontja: 2021.07.07