Teknologi dasar pengendapan uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD)

1. Proses utama plasma meningkatkan pengendapan uap kimia

Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) adalah teknologi baru untuk pertumbuhan film tipis melalui reaksi kimia zat gas dengan bantuan plasma pelepasan cahaya. Karena teknologi PECVD dibuat dengan pelepasan gas, karakteristik reaksi plasma non-ekuilibrium dimanfaatkan secara efektif, dan mode pasokan energi sistem reaksi berubah secara mendasar. Secara umum, ketika teknologi PECVD digunakan untuk membuat film tipis, pertumbuhan film tipis terutama mencakup tiga proses dasar berikut

Pertama, dalam plasma non-ekuilibrium, elektron bereaksi dengan gas reaksi pada tahap primer untuk menguraikan gas reaksi dan membentuk campuran ion dan gugus aktif;

Kedua, semua jenis gugus aktif berdifusi dan berpindah ke permukaan dan dinding film, dan reaksi sekunder antar reaktan terjadi pada waktu yang sama;

Akhirnya, semua jenis produk reaksi primer dan sekunder yang mencapai permukaan pertumbuhan diserap dan bereaksi dengan permukaan, disertai dengan pelepasan kembali molekul gas.

Secara khusus, teknologi PECVD berdasarkan metode pelepasan cahaya dapat membuat gas reaksi terionisasi membentuk plasma di bawah eksitasi medan elektromagnetik eksternal. Dalam plasma pelepasan cahaya, energi kinetik elektron yang dipercepat oleh medan listrik eksternal biasanya sekitar 10ev, atau bahkan lebih tinggi, yang cukup untuk menghancurkan ikatan kimia molekul gas reaktif. Oleh karena itu, melalui tumbukan inelastis antara elektron berenergi tinggi dan molekul gas reaktif, molekul gas akan terionisasi atau terurai untuk menghasilkan atom netral dan produk molekul. Ion positif dipercepat oleh lapisan ion yang mempercepat medan listrik dan bertabrakan dengan elektroda atas. Terdapat juga medan listrik lapisan ion kecil di dekat elektroda bawah, sehingga substrat juga dibombardir oleh ion sampai batas tertentu. Akibatnya, zat netral yang dihasilkan oleh dekomposisi berdifusi ke dinding tabung dan substrat. Dalam proses penyimpangan dan difusi, partikel dan gugus ini (atom dan molekul netral yang aktif secara kimia disebut gugus) akan mengalami reaksi molekul ion dan reaksi molekul gugus karena jalur bebas rata-rata yang pendek. Sifat kimia zat aktif kimia (terutama golongan) yang mencapai substrat dan teradsorpsi sangat aktif, dan lapisan film terbentuk melalui interaksi di antara keduanya.

2. Reaksi kimia dalam plasma

Karena eksitasi gas reaksi dalam proses pelepasan pijar sebagian besar merupakan tumbukan elektron, reaksi dasar dalam plasma bermacam-macam, dan interaksi antara plasma dan permukaan padat juga sangat kompleks, sehingga lebih sulit untuk mempelajari mekanismenya. proses PECVD. Sejauh ini, banyak sistem reaksi penting telah dioptimalkan melalui eksperimen untuk mendapatkan film dengan sifat ideal. Untuk deposisi film tipis berbasis silikon berdasarkan teknologi PECVD, jika mekanisme deposisi dapat diungkapkan secara mendalam, laju deposisi film tipis berbasis silikon dapat ditingkatkan secara signifikan dengan alasan untuk memastikan sifat fisik bahan yang sangat baik.

Saat ini, dalam penelitian film tipis berbahan silikon, silan encer hidrogen (SiH4) banyak digunakan sebagai gas reaksi karena terdapat sejumlah hidrogen dalam film tipis berbahan silikon. H memainkan peran yang sangat penting dalam film tipis berbasis silikon. Hal ini dapat mengisi ikatan yang menjuntai dalam struktur material, sangat mengurangi tingkat energi cacat, dan dengan mudah mewujudkan kontrol elektron valensi material. Sejak spear et al. Pertama kali menyadari efek doping film tipis silikon dan menyiapkan sambungan PN pertama pada tahun 2017, penelitian tentang persiapan dan penerapan film tipis berbasis silikon berdasarkan teknologi PECVD telah dikembangkan dengan pesat. Oleh karena itu, reaksi kimia pada film tipis berbasis silikon yang diendapkan dengan teknologi PECVD akan dijelaskan dan dibahas berikut ini.

Dalam kondisi lucutan pijar, karena elektron dalam plasma silan memiliki lebih dari beberapa energi EV, H2 dan SiH4 akan terurai ketika bertabrakan dengan elektron, yang termasuk dalam reaksi primer. Jika kita tidak mempertimbangkan keadaan tereksitasi antara, kita dapat memperoleh reaksi disosiasi sihm berikut (M = 0,1,2,3) dengan 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)

Menurut panas standar produksi molekul keadaan dasar, energi yang diperlukan untuk proses disosiasi di atas (2.1) ~ (2.5) masing-masing adalah 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV dan 4.5 EV. Elektron berenergi tinggi dalam plasma juga dapat mengalami reaksi ionisasi berikut

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)

Energi yang dibutuhkan untuk (2.6) ~ (2.9) masing-masing adalah 11.9, 12.3, 13.6 dan 15.3 EV. Karena perbedaan energi reaksi, kemungkinan (2.1) ~ (2.9) reaksi sangat tidak merata. Selain itu, sihm yang terbentuk dengan proses reaksi (2.1) ~ (2.5) akan mengalami reaksi sekunder terionisasi berikut, seperti

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Jika reaksi di atas dilakukan melalui proses elektron tunggal, energi yang dibutuhkan sekitar 12 eV atau lebih. Mengingat fakta bahwa jumlah elektron berenergi tinggi di atas 10ev dalam plasma terionisasi lemah dengan kerapatan elektron 1010cm-3 relatif kecil di bawah tekanan atmosfer (10-100pa) untuk pembuatan film berbasis silikon, Kumulatif probabilitas ionisasi umumnya lebih kecil dari probabilitas eksitasi. Oleh karena itu, proporsi senyawa terionisasi di atas dalam plasma silan sangat kecil, dan gugus netral sihm dominan. Hasil analisis spektrum massa juga membuktikan kesimpulan tersebut [8]. Bourquard dkk. Lebih lanjut dikemukakan bahwa konsentrasi sihm mengalami penurunan urutan sih3, sih2, Si dan SIH, namun konsentrasi SiH3 paling banyak tiga kali lipat dari SIH. Robertson dkk. Dilaporkan bahwa dalam produk netral sihm, silan murni terutama digunakan untuk pelepasan daya tinggi, sedangkan sih3 terutama digunakan untuk pelepasan daya rendah. Urutan konsentrasi dari tinggi ke rendah adalah SiH3, SiH, Si, SiH2. Oleh karena itu, parameter proses plasma sangat mempengaruhi komposisi produk sihm netral.

Selain reaksi disosiasi dan ionisasi di atas, reaksi sekunder antar molekul ionik juga sangat penting

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Oleh karena itu, dalam hal konsentrasi ion, sih3+ lebih banyak daripada sih2+. Hal ini dapat menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak ion sih3+ dibandingkan ion sih2+ dalam plasma SiH4.

Selain itu, akan terjadi reaksi tumbukan atom molekul dimana atom hidrogen dalam plasma menangkap hidrogen dalam SiH4

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Ini adalah reaksi eksotermik dan pendahulu pembentukan si2h6. Tentu saja, kelompok-kelompok ini tidak hanya berada dalam keadaan dasar, tetapi juga tereksitasi hingga keadaan tereksitasi dalam plasma. Spektrum emisi plasma silan menunjukkan bahwa terdapat transisi keadaan tereksitasi Si, SIH, h yang dapat diterima secara optis, dan keadaan tereksitasi vibrasi SiH2, SiH3.