Պլազմայի ուժեղացված քիմիական գոլորշիների նստեցման հիմնական տեխնոլոգիա (PECVD)

1. Պլազմայի ուժեղացված քիմիական գոլորշիների նստեցման հիմնական գործընթացները

Պլազմայի ուժեղացված քիմիական գոլորշիների նստեցումը (PECVD) նոր տեխնոլոգիա է գազային նյութերի քիմիական ռեակցիայի միջոցով բարակ թաղանթների աճի համար՝ փայլուն արտանետվող պլազմայի օգնությամբ: Քանի որ PECVD տեխնոլոգիան պատրաստվում է գազի արտանետմամբ, ոչ հավասարակշռված պլազմայի ռեակցիայի բնութագրիչները արդյունավետորեն օգտագործվում են, և ռեակցիայի համակարգի էներգիայի մատակարարման ռեժիմը հիմնովին փոխվում է: Ընդհանուր առմամբ, երբ PECVD տեխնոլոգիան օգտագործվում է բարակ թաղանթներ պատրաստելու համար, բարակ թաղանթների աճը հիմնականում ներառում է հետևյալ երեք հիմնական գործընթացները.

Նախ, ոչ հավասարակշռված պլազմայում էլեկտրոնները արձագանքում են ռեակցիայի գազի հետ առաջնային փուլում՝ քայքայելով ռեակցիայի գազը և ձևավորելով իոնների և ակտիվ խմբերի խառնուրդ.

Երկրորդ, բոլոր տեսակի ակտիվ խմբերը ցրվում և տեղափոխվում են թաղանթի մակերեսին և պատին, և ռեակտիվների միջև երկրորդական ռեակցիաները տեղի են ունենում միաժամանակ.

Վերջապես, բոլոր տեսակի առաջնային և երկրորդային ռեակցիայի արտադրանքները, որոնք հասնում են աճի մակերևույթին, ներծծվում են և արձագանքում մակերեսի հետ՝ ուղեկցվելով գազային մոլեկուլների վերաթողարկումով:

Մասնավորապես, PECVD տեխնոլոգիան, որը հիմնված է փայլի արտանետման մեթոդի վրա, կարող է ստիպել ռեակցիայի գազը իոնացնել և ձևավորել պլազմա արտաքին էլեկտրամագնիսական դաշտի գրգռման ներքո: Պայծառ լիցքաթափման պլազմայում արտաքին էլեկտրական դաշտով արագացված էլեկտրոնների կինետիկ էներգիան սովորաբար կազմում է մոտ 10 Էվ կամ նույնիսկ ավելի բարձր, ինչը բավական է ռեակտիվ գազի մոլեկուլների քիմիական կապերը ոչնչացնելու համար: Հետևաբար, բարձր էներգիայի էլեկտրոնների և ռեակտիվ գազի մոլեկուլների ոչ առաձգական բախման միջոցով գազի մոլեկուլները իոնացված կամ քայքայվելու են՝ չեզոք ատոմներ և մոլեկուլային արտադրանք արտադրելու համար: Դրական իոնները արագանում են իոնային շերտի արագացնող էլեկտրական դաշտով և բախվում վերին էլեկտրոդին։ Ներքևի էլեկտրոդի մոտ կա նաև փոքր իոնային շերտ էլեկտրական դաշտ, ուստի ենթաշերտը նույնպես որոշ չափով ռմբակոծվում է իոններով: Արդյունքում, քայքայման արդյունքում առաջացած չեզոք նյութը ցրվում է խողովակի պատին և հիմքին: Դրեյֆի և դիֆուզիայի գործընթացում այս մասնիկները և խմբերը (քիմիապես ակտիվ չեզոք ատոմները և մոլեկուլները կոչվում են խմբեր) կենթարկվեն իոնային մոլեկուլային ռեակցիայի և խմբի մոլեկուլային ռեակցիայի՝ միջին կարճ ազատ ճանապարհի պատճառով: Սուբստրատին հասնող և ներծծվող քիմիական ակտիվ նյութերի (հիմնականում խմբերի) քիմիական հատկությունները շատ ակտիվ են, և թաղանթը ձևավորվում է նրանց միջև փոխազդեցությունից։

2. Քիմիական ռեակցիաները պլազմայում

Քանի որ ռեակցիոն գազի գրգռումը փայլի արտանետման գործընթացում հիմնականում էլեկտրոնների բախումն է, տարրական ռեակցիաները պլազմայում բազմազան են, և պլազմայի և պինդ մակերեսի փոխազդեցությունը նույնպես շատ բարդ է, ինչը դժվարացնում է մեխանիզմի ուսումնասիրությունը: PECVD գործընթացի. Մինչ այժմ շատ կարևոր ռեակցիաների համակարգեր օպտիմիզացվել են փորձերի միջոցով՝ իդեալական հատկություններով թաղանթներ ստանալու համար։ PECVD տեխնոլոգիայի վրա հիմնված սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթների նստեցման դեպքում, եթե տեղադրման մեխանիզմը կարող է խորապես բացահայտվել, ապա սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթների նստեցման արագությունը կարող է մեծապես աճել՝ նյութերի գերազանց ֆիզիկական հատկությունները ապահովելու համար:

Ներկայումս սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթների հետազոտության մեջ ջրածնի նոսրացված սիլանը (SiH4) լայնորեն օգտագործվում է որպես ռեակցիայի գազ, քանի որ սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթներում կա որոշակի քանակությամբ ջրածին: H-ն շատ կարևոր դեր է խաղում սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթներում: Այն կարող է լրացնել կախված կապերը նյութի կառուցվածքում, մեծապես նվազեցնել թերության էներգիայի մակարդակը և հեշտությամբ իրականացնել նյութերի վալենտային էլեկտրոնների կառավարումը: Քանի որ նիզակը և այլք: Սկզբում հասկացավ սիլիցիումի բարակ թաղանթների դոպինգային ազդեցությունը և պատրաստեց առաջին PN հանգույցը, PECVD տեխնոլոգիայի վրա հիմնված սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթների պատրաստման և կիրառման վերաբերյալ հետազոտությունը մշակվել է թռիչքներով և սահմաններով: Հետևաբար, քիմիական ռեակցիան սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթներում, որոնք պահվում են PECVD տեխնոլոգիայի միջոցով, կներկայացվի և կքննարկվի ստորև:

Պայծառ լիցքաթափման պայմաններում, քանի որ սիլանի պլազմայի էլեկտրոններն ունեն ավելի քան մի քանի EV էներգիա, H2-ը և SiH4-ը կքայքայվեն, երբ էլեկտրոնները բախվեն առաջնային ռեակցիային: Եթե ​​մենք չդիտարկենք միջանկյալ գրգռված վիճակները, ապա կարող ենք ստանալ sihm-ի հետևյալ դիսոցացիոն ռեակցիաները (M = 0,1,2,3) H-ի հետ.

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)

Ըստ հիմնական վիճակի մոլեկուլների արտադրության ստանդարտ ջերմության՝ վերոհիշյալ տարանջատման գործընթացների համար (2.1) ~ (2.5) պահանջվող էներգիաները համապատասխանաբար 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV և 4.5 EV են: Բարձր էներգիայի էլեկտրոնները պլազմայում կարող են ենթարկվել նաև հետևյալ իոնացման ռեակցիաներին

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) համար պահանջվող էներգիան համապատասխանաբար 11.9, 12.3, 13.6 և 15.3 EV է: Ռեակցիայի էներգիայի տարբերության պատճառով (2.1) ~ (2.9) ռեակցիաների հավանականությունը շատ անհավասար է։ Բացի այդ, ռեակցիայի (2.1) ~ (2.5) պրոցեսով ձևավորված սիհմը կենթարկվի իոնացման հետևյալ երկրորդական ռեակցիաներին, ինչպիսիք են.

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Եթե ​​վերը նշված ռեակցիան իրականացվում է մեկ էլեկտրոնային գործընթացի միջոցով, ապա պահանջվող էներգիան կազմում է մոտ 12 էՎ կամ ավելի: Հաշվի առնելով այն փաստը, որ թույլ իոնացված պլազմայում 1010 սմ-3 էլեկտրոնային խտությամբ 10ev-ից բարձր էլեկտրոնների թիվը համեմատաբար փոքր է մթնոլորտային ճնշման ներքո (10-100pa) սիլիցիումի վրա հիմնված թաղանթների պատրաստման համար, կուտակայինը. իոնացման հավանականությունը սովորաբար ավելի փոքր է, քան գրգռման հավանականությունը: Հետևաբար, վերը նշված իոնացված միացությունների մասնաբաժինը սիլանի պլազմայում շատ փոքր է, և գերիշխող է sihm-ի չեզոք խումբը։ Զանգվածային սպեկտրի վերլուծության արդյունքները նույնպես ապացուցում են այս եզրակացությունը [8]: Բուրկուարդը և այլք: Հետագայում նշվեց, որ sihm-ի կոնցենտրացիան նվազել է sih3, sih2, Si և SIH կարգով, բայց SiH3-ի կոնցենտրացիան առավելագույնը երեք անգամ գերազանցել է SIH-ին: Ռոբերտսոնը և այլք: Զեկուցվել է, որ sihm-ի չեզոք արտադրանքներում մաքուր սիլանը հիմնականում օգտագործվել է բարձր հզորության լիցքաթափման համար, մինչդեռ sih3-ը հիմնականում օգտագործվել է ցածր էներգիայի լիցքաթափման համար: Համակենտրոնացման կարգը բարձրից ցածր էր SiH3, SiH, Si, SiH2: Հետեւաբար, պլազմային գործընթացի պարամետրերը խիստ ազդում են sihm չեզոք արտադրանքի կազմի վրա:

Բացի վերը նշված տարանջատման և իոնացման ռեակցիաներից, իոնային մոլեկուլների միջև երկրորդական ռեակցիաները նույնպես շատ կարևոր են.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Հետևաբար, իոնների կոնցենտրացիայի առումով sih3 + ավելի շատ է, քան sih2 +: Այն կարող է բացատրել, թե ինչու են SiH4 պլազմայում ավելի շատ sih3 + իոններ, քան sih2 + իոններ:

Բացի այդ, տեղի կունենա մոլեկուլային ատոմների բախման ռեակցիա, որի ժամանակ պլազմայի ջրածնի ատոմները գրավում են SiH4-ի ջրածինը:

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Այն էկզոթերմիկ ռեակցիա է և si2h6-ի առաջացման նախադրյալ։ Իհարկե, այս խմբերը ոչ միայն հիմնական վիճակում են, այլ նաև գրգռված են պլազմայում գրգռված վիճակում: Սիլանային պլազմայի արտանետումների սպեկտրները ցույց են տալիս, որ կան Si, SIH, h օպտիկականորեն թույլատրելի անցումային գրգռված վիճակներ և SiH2, SiH3 թրթռումային գրգռված վիճակներ։