პლაზმური გაძლიერებული ქიმიური ორთქლის დეპონირების ძირითადი ტექნოლოგია (PECVD)

1. პლაზმური გაძლიერებული ქიმიური ორთქლის დეპონირების ძირითადი პროცესები

პლაზმური გაძლიერებული ქიმიური ორთქლის დეპონირება (PECVD) არის ახალი ტექნოლოგია თხელი ფენების ზრდისთვის აირისებრი ნივთიერებების ქიმიური რეაქციით, მბზინავი გამონადენის პლაზმის დახმარებით. იმის გამო, რომ PECVD ტექნოლოგია მზადდება აირის გამონადენით, არაბალანსირებული პლაზმის რეაქციის მახასიათებლები ეფექტურად გამოიყენება და რეაქციის სისტემის ენერგომომარაგების რეჟიმი ფუნდამენტურად იცვლება. ზოგადად რომ ვთქვათ, როდესაც PECVD ტექნოლოგია გამოიყენება თხელი ფენების მოსამზადებლად, თხელი ფენების ზრდა ძირითადად მოიცავს შემდეგ სამ ძირითად პროცესს

უპირველეს ყოვლისა, არათანაბარი პლაზმაში ელექტრონები პირველად სტადიაზე რეაგირებენ რეაქციის გაზთან, რათა დაშალონ რეაქციის გაზი და წარმოქმნან იონებისა და აქტიური ჯგუფების ნარევი;

მეორეც, ყველა სახის აქტიური ჯგუფი დიფუზირდება და ტრანსპორტირდება ფილმის ზედაპირზე და კედელზე, ხოლო მეორადი რეაქციები რეაქტორებს შორის ერთდროულად ხდება;

საბოლოოდ, ყველა სახის პირველადი და მეორადი რეაქციის პროდუქტი, რომელიც აღწევს ზრდის ზედაპირს, შეიწოვება და რეაგირებს ზედაპირთან, რასაც თან ახლავს აირისებრი მოლეკულების ხელახალი გამოყოფა.

კერძოდ, PECVD ტექნოლოგიას, რომელიც დაფუძნებულია მბზინავი გამონადენის მეთოდზე, შეუძლია რეაქციის გაზის იონიზირება მოახდინოს პლაზმის წარმოქმნას გარე ელექტრომაგნიტური ველის აგზნების ქვეშ. მბზინავი გამონადენის პლაზმაში, გარე ელექტრული ველით აჩქარებული ელექტრონების კინეტიკური ენერგია ჩვეულებრივ დაახლოებით 10ევ ან უფრო მაღალია, რაც საკმარისია რეაქტიული გაზის მოლეკულების ქიმიური ბმების გასანადგურებლად. ამრიგად, მაღალი ენერგიის ელექტრონებისა და რეაქტიული გაზის მოლეკულების არაელასტიური შეჯახების შედეგად, აირის მოლეკულები იონიზდება ან დაიშლება ნეიტრალური ატომებისა და მოლეკულური პროდუქტების წარმოქმნით. დადებითი იონები აჩქარებულია იონური ფენის აჩქარების ელექტრული ველით და ეჯახება ზედა ელექტროდს. ქვედა ელექტროდის მახლობლად არის ასევე მცირე იონური ფენის ელექტრული ველი, ამიტომ სუბსტრატიც გარკვეულწილად იბომბება იონებით. შედეგად, დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ნეიტრალური ნივთიერება ვრცელდება მილის კედელსა და სუბსტრატზე. დრიფტისა და დიფუზიის პროცესში ეს ნაწილაკები და ჯგუფები (ქიმიურად აქტიურ ნეიტრალურ ატომებს და მოლეკულებს ჯგუფებს უწოდებენ) გაივლიან იონის მოლეკულურ რეაქციას და ჯგუფის მოლეკულურ რეაქციას მოკლე საშუალო თავისუფალი გზის გამო. ქიმიური აქტიური ნივთიერებების (ძირითადად ჯგუფების) ქიმიური თვისებები, რომლებიც აღწევს სუბსტრატს და ადსორბირებულია, ძალიან აქტიურია და ფილმი იქმნება მათ შორის ურთიერთქმედებით.

2. ქიმიური რეაქციები პლაზმაში

იმის გამო, რომ რეაქციის გაზის აგზნება შუქის გამონადენის პროცესში ძირითადად ელექტრონების შეჯახებაა, პლაზმაში ელემენტარული რეაქციები მრავალფეროვანია და პლაზმასა და მყარ ზედაპირს შორის ურთიერთქმედება ასევე ძალიან რთულია, რაც ართულებს მექანიზმის შესწავლას. PECVD პროცესი. აქამდე მრავალი მნიშვნელოვანი რეაქციის სისტემა ოპტიმიზირებულია ექსპერიმენტებით იდეალური თვისებების მქონე ფილმების მისაღებად. PECVD ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული სილიკონის თხელი ფენების დეპონირებისთვის, თუ დეპონირების მექანიზმი ღრმად არის გამოვლენილი, სილიკონზე დაფუძნებული თხელი ფენების დეპონირების სიჩქარე შეიძლება მნიშვნელოვნად გაიზარდოს მასალების შესანიშნავი ფიზიკური თვისებების უზრუნველსაყოფად.

ამჟამად, სილიკონზე დაფუძნებული თხელი ფენების კვლევაში, წყალბადით განზავებული სილანი (SiH4) ფართოდ გამოიყენება რეაქციის გაზად, რადგან სილიკონზე დაფუძნებულ თხელ ფენებში არის წყალბადის გარკვეული რაოდენობა. H თამაშობს ძალიან მნიშვნელოვან როლს სილიკონზე დაფუძნებულ თხელ ფილმებში. მას შეუძლია შეავსოს დაკიდებული ბმები მატერიალურ სტრუქტურაში, მნიშვნელოვნად შეამციროს დეფექტის ენერგეტიკული დონე და ადვილად გააცნობიეროს მასალების ვალენტური ელექტრონების კონტროლი, Since Spear et al. პირველად გააცნობიერა სილიკონის თხელი ფენების დოპინგ ეფექტი და მოამზადა პირველი PN შეერთება, PECVD ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული სილიკონის თხელი ფენების მომზადებისა და გამოყენების შესახებ კვლევა განვითარდა ნახტომებით და საზღვრებით. ამიტომ, ქიმიური რეაქცია სილიკონზე დაფუძნებულ თხელ ფენებში, რომლებიც დეპონირებულია PECVD ტექნოლოგიით, აღწერილი და განხილული იქნება შემდეგში.

ბზინვის გამონადენის პირობებში, რადგან სილანის პლაზმაში ელექტრონებს აქვთ რამდენიმე EV ენერგიაზე მეტი, H2 და SiH4 დაიშლება ელექტრონების შეჯახებისას, რომელიც მიეკუთვნება პირველად რეაქციას. თუ არ განვიხილავთ შუალედურ აგზნებად მდგომარეობებს, შეგვიძლია მივიღოთ sihm-ის შემდეგი დისოციაციის რეაქციები (M = 0,1,2,3) H-თან.

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)

ძირითადი მდგომარეობის მოლეკულების წარმოების სტანდარტული სითბოს მიხედვით, ზემოაღნიშნული დისოციაციის პროცესებისთვის (2.1) ~ (2.5) საჭირო ენერგია არის შესაბამისად 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV და 4.5 EV. პლაზმაში მაღალი ენერგიის ელექტრონები ასევე შეიძლება გაიარონ შემდეგი იონიზაციის რეაქციები

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)-სთვის საჭირო ენერგია არის 11.9, 12.3, 13.6 და 15.3 EV შესაბამისად. რეაქციის ენერგიის განსხვავების გამო, (2.1) ~ (2.9) რეაქციების ალბათობა ძალიან არათანაბარია. გარდა ამისა, რეაქციის პროცესით წარმოქმნილი სიჰმი (2.1) ~ (2.5) გაივლის შემდეგ მეორად რეაქციებს იონიზაციისთვის, როგორიცაა მაგ.

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

თუ ზემოაღნიშნული რეაქცია ხორციელდება ერთი ელექტრონული პროცესის საშუალებით, საჭირო ენერგია არის დაახლოებით 12 ევ ან მეტი. იმის გათვალისწინებით, რომ 10ევზე მეტი მაღალი ენერგიის ელექტრონების რაოდენობა სუსტად იონიზებულ პლაზმაში 1010cm-3 ელექტრონის სიმკვრივით შედარებით მცირეა ატმოსფერული წნევის ქვეშ (10-100pa) სილიკონზე დაფუძნებული ფილმების მოსამზადებლად, კუმულაციური იონიზაციის ალბათობა ზოგადად უფრო მცირეა, ვიდრე აგზნების ალბათობა. აქედან გამომდინარე, ზემოთ იონიზირებული ნაერთების პროპორცია სილანის პლაზმაში ძალიან მცირეა და სიჰმის ნეიტრალური ჯგუფი დომინანტურია. მასობრივი სპექტრის ანალიზის შედეგები ასევე ადასტურებს ამ დასკვნას [8]. ბურკარდი და სხვ. შემდგომმა აღნიშნა, რომ sihm-ის კონცენტრაცია შემცირდა sih3, sih2, Si და SIH რიგით, მაგრამ SiH3-ის კონცენტრაცია მაქსიმუმ სამჯერ იყო SIH-ზე. რობერტსონი და სხვ. მოხსენებული იყო, რომ sihm-ის ნეიტრალურ პროდუქტებში სუფთა სილანი ძირითადად გამოიყენებოდა მაღალი სიმძლავრის გამონადენისთვის, ხოლო sih3 ძირითადად გამოიყენებოდა დაბალი სიმძლავრის გამონადენისთვის. კონცენტრაციის რიგი მაღალიდან დაბალამდე იყო SiH3, SiH, Si, SiH2. ამიტომ, პლაზმური პროცესის პარამეტრები ძლიერად მოქმედებს sihm ნეიტრალური პროდუქტების შემადგენლობაზე.

ზემოაღნიშნული დისოციაციისა და იონიზაციის რეაქციების გარდა, ასევე ძალიან მნიშვნელოვანია მეორადი რეაქციები იონურ მოლეკულებს შორის.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

ამიტომ, იონის კონცენტრაციის თვალსაზრისით, sih3 + მეტია sih2 +-ზე. მას შეუძლია ახსნას, თუ რატომ არის SiH4 პლაზმაში მეტი sih3 + იონები, ვიდრე sih2 + იონები.

გარდა ამისა, იქნება მოლეკულური ატომის შეჯახების რეაქცია, რომლის დროსაც პლაზმაში წყალბადის ატომები იჭერენ წყალბადს SiH4-ში.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

ეს არის ეგზოთერმული რეაქცია და si2h6-ის წარმოქმნის წინამორბედი. რა თქმა უნდა, ეს ჯგუფები არა მხოლოდ ძირეულ მდგომარეობაში არიან, არამედ აღგზნებულნი არიან პლაზმაში აღგზნებულ მდგომარეობაში. სილანის პლაზმის ემისიის სპექტრები აჩვენებს, რომ არსებობს Si, SIH, h, ოპტიკურად დასაშვები გარდამავალი აღგზნებული მდგომარეობა და SiH2, SiH3 ვიბრაციით აღგზნებული მდგომარეობები.