טכנולוגיה בסיסית של שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה (PECVD)

1. תהליכים עיקריים של שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה

השקעת אדים כימית מוגברת בפלזמה (PECVD) היא טכנולוגיה חדשה לצמיחת סרטים דקים על ידי תגובה כימית של חומרים גזים בעזרת פלזמה פריקת זוהר. מכיוון שטכנולוגיית PECVD מוכנה על ידי פריקת גז, מאפייני התגובה של פלזמה שאינה בשיווי משקל מנוצלים ביעילות, ומצב אספקת האנרגיה של מערכת התגובה משתנה מהותית. באופן כללי, כאשר משתמשים בטכנולוגיית PECVD להכנת סרטים דקים, הצמיחה של סרטים דקים כוללת בעיקר את שלושת התהליכים הבסיסיים הבאים

ראשית, בפלזמה שאינה בשיווי משקל, אלקטרונים מגיבים עם גז התגובה בשלב הראשוני כדי לפרק את גז התגובה וליצור תערובת של יונים וקבוצות פעילות;

שנית, כל מיני קבוצות פעילות מתפזרות ועוברות אל פני השטח ואל דופן הסרט, והתגובות המשניות בין המגיבים מתרחשות בו-זמנית;

לבסוף, כל מיני תוצרי תגובה ראשונית ומשנית המגיעים למשטח הגידול נספגים ומגיבים עם פני השטח, מלווה בשחרור מחדש של מולקולות גזים.

באופן ספציפי, טכנולוגיית PECVD המבוססת על שיטת פריקת זוהר יכולה לגרום לגז התגובה ליינן ליצירת פלזמה תחת עירור של שדה אלקטרומגנטי חיצוני. בפלזמה של פריקת זוהר, האנרגיה הקינטית של אלקטרונים המואצת על ידי שדה חשמלי חיצוני היא בדרך כלל בערך 10ev, או אפילו יותר, וזה מספיק כדי להרוס את הקשרים הכימיים של מולקולות גז תגובתיות. לכן, באמצעות התנגשות לא אלסטית של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה ומולקולות גז תגובתיות, מולקולות הגז יפונו או יפורקו כדי לייצר אטומים ניטרליים ומוצרים מולקולריים. היונים החיוביים מואצים על ידי שכבת היונים המאיץ את השדה החשמלי ומתנגשים באלקטרודה העליונה. יש גם שדה חשמלי שכבת יונים קטנה ליד האלקטרודה התחתונה, כך שגם המצע מופגז על ידי יונים במידה מסוימת. כתוצאה מכך, החומר הנייטרלי המיוצר בפירוק מתפזר אל דופן הצינור והמצע. בתהליך של סחיפה ודיפוזיה, חלקיקים וקבוצות אלו (האטומים והמולקולות הנייטרליות הפעילים מבחינה כימית נקראים קבוצות) יעברו תגובת מולקולת יונים ותגובת מולקולת קבוצתית בשל הנתיב החופשי הממוצע הקצר. התכונות הכימיות של החומרים הפעילים הכימיים (בעיקר קבוצות) המגיעות למצע ונספגים הן פעילות מאוד, והסרט נוצר מהאינטראקציה ביניהם.

2. תגובות כימיות בפלזמה

מכיוון שהעירור של גז התגובה בתהליך פריקת הזוהר הוא בעיקר התנגשות אלקטרונים, התגובות האלמנטריות בפלזמה שונות, וגם האינטראקציה בין הפלזמה למשטח המוצק מורכבת מאוד, מה שמקשה על חקר המנגנון. של תהליך PECVD. עד כה, מערכות תגובה חשובות רבות עבר אופטימיזציה על ידי ניסויים כדי להשיג סרטים עם תכונות אידיאליות. עבור השקת סרטים דקים מבוססי סיליקון המבוססים על טכנולוגיית PECVD, אם ניתן לחשוף את מנגנון התצהיר לעומק, ניתן להגדיל במידה ניכרת את קצב התצהיר של סרטים דקים מבוססי סיליקון בהנחה של הבטחת התכונות הפיזיקליות המעולות של חומרים.

כיום, במחקר של סרטים דקים מבוססי סיליקון, נעשה שימוש נרחב בסילאן מדולל מימן (SiH4) כגז התגובה מכיוון שיש כמות מסוימת של מימן בסרטים הדקים המבוססים על סיליקון. H ממלא תפקיד חשוב מאוד בסרטים הדקים המבוססים על סיליקון. זה יכול למלא את הקשרים המשתלשלים במבנה החומר, להפחית במידה ניכרת את רמת האנרגיה הפגומה, ולממש בקלות את בקרת האלקטרון הערכית של החומרים מאז spear et al. הבין לראשונה את אפקט הסימום של סרטי סיליקון דקים והכין את צומת ה-PN הראשון, המחקר על הכנה ויישום של סרטים דקים מבוססי סיליקון המבוססים על טכנולוגיית PECVD פותח בצעדי ענק. לכן, התגובה הכימית בסרטים דקים מבוססי סיליקון שהופקדו על ידי טכנולוגיית PECVD תתואר ותדון בהמשך.

בתנאי פריקת זוהר, מכיוון שלאלקטרונים בפלזמת הסילאן יש יותר מכמה אנרגיות EV, H2 ו-SiH4 יתפרקו כאשר הם יתנגשו על ידי אלקטרונים, השייכים לתגובה הראשונית. אם לא ניקח בחשבון את מצבי הביניים הנרגשים, נוכל לקבל את תגובות הדיסוציאציה הבאות של sihm (M = 0,1,2,3) עם 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)

על פי חום הייצור הסטנדרטי של מולקולות מצב הקרקע, האנרגיות הנדרשות לתהליכי הדיסוציאציה לעיל (2.1) ~ (2.5) הן 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ו-4.5 EV בהתאמה. אלקטרונים באנרגיה גבוהה בפלזמה יכולים גם לעבור את תגובות היינון הבאות

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)

האנרגיה הנדרשת עבור (2.6) ~ (2.9) היא 11.9, 12.3, 13.6 ו-15.3 EV בהתאמה. בשל ההבדל באנרגיית התגובה, ההסתברות לתגובות (2.1) ~ (2.9) היא מאוד לא אחידה. בנוסף, הסיהם שנוצר בתהליך התגובה (2.1) ~ (2.5) יעבור את התגובות המשניות הבאות ליינון, כגון

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

אם התגובה לעיל מתבצעת באמצעות תהליך אלקטרוני בודד, האנרגיה הנדרשת היא כ-12 eV או יותר. לאור העובדה שמספר האלקטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה מעל 10ev בפלזמה המיוננת חלשה עם צפיפות אלקטרונים של 1010cm-3 קטן יחסית תחת הלחץ האטמוספרי (10-100pa) להכנת סרטים מבוססי סיליקון, הסתברות יינון בדרך כלל קטנה מהסתברות לעירור. לכן, שיעור התרכובות המיוננות לעיל בפלזמה סילאן קטן מאוד, והקבוצה הנייטרלית של הסיהם היא הדומיננטית. תוצאות ניתוח ספקטרום ההמונים מוכיחות גם מסקנה זו [8]. Bourquard et al. עוד ציין כי ריכוז הסיהם ירד בסדר גודל של sih3, sih2, Si ו-SIH, אך ריכוז SiH3 היה לכל היותר פי שלושה מזה של SIH. רוברטסון וחב'. דיווח כי במוצרים הנייטרליים של sihm, סילאן טהור שימש בעיקר לפריקה בהספק גבוה, בעוד sih3 שימש בעיקר לפריקה בהספק נמוך. סדר הריכוז מגבוה לנמוך היה SiH3, SiH, Si, SiH2. לכן, הפרמטרים של תהליך הפלזמה משפיעים מאוד על ההרכב של מוצרים ניטרליים של sihm.

בנוסף לתגובות הדיסוציאציה והיינון הנ"ל, גם התגובות המשניות בין מולקולות יוניות חשובות מאוד

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

לכן, מבחינת ריכוז היונים, sih3+ הוא יותר מ-sih2+. זה יכול להסביר מדוע יש יותר יוני sih3 + מאשר יוני sih2 + בפלזמה של SiH4.

בנוסף, תהיה תגובת התנגשות אטומים מולקולריים בה אטומי המימן בפלזמה לוכדים את המימן ב-SiH4

H+ SiH4 → SiH3+H2 (2.14)

זוהי תגובה אקזותרמית ומבשר להיווצרות si2h6. כמובן, קבוצות אלו אינן רק במצב היסוד, אלא גם מתרגשות למצב הנרגש בפלזמה. ספקטרום הפליטה של ​​פלזמה סילאן מראים כי ישנם מצבי מרותקים מעבר קבילים אופטית של Si, SIH, h, ומצבי מרותק רטט של SiH2, SiH3