1. Pagrindiniai plazmos sustiprinto cheminio nusodinimo garais procesai
Plazminis sustiprintas cheminis garų nusodinimas (PECVD) – tai nauja technologija, skirta plonoms plėvelėms auginti cheminėmis dujinių medžiagų reakcijomis, naudojant švytėjimo išlydžio plazmą. Kadangi PECVD technologija ruošiama dujų išlydžio būdu, efektyviai išnaudojamos nepusiausvyrinės plazmos reakcijos charakteristikos, iš esmės pakeičiamas reakcijos sistemos energijos tiekimo būdas. Paprastai kalbant, kai PECVD technologija naudojama plonoms plėvelėms paruošti, plonų plėvelių augimas daugiausia apima šiuos tris pagrindinius procesus
Pirma, nepusiausvyroje plazmoje elektronai reaguoja su reakcijos dujomis pirminėje stadijoje, kad suskaidytų reakcijos dujas ir susidarytų jonų ir aktyvių grupių mišinys;
Antra, visų rūšių aktyvios grupės difunduoja ir transportuoja į plėvelės paviršių ir sienelę, o antrinės reakcijos tarp reagentų vyksta tuo pačiu metu;
Galiausiai, visų rūšių pirminės ir antrinės reakcijos produktai, pasiekiantys augimo paviršių, yra adsorbuojami ir reaguoja su paviršiumi, kartu išskirdami dujines molekules.
Konkrečiai, PECVD technologija, pagrįsta švytėjimo iškrovos metodu, gali priversti reakcijos dujas jonizuotis, kad susidarytų plazma, sužadinant išorinį elektromagnetinį lauką. Švytėjimo išlydžio plazmoje išorinio elektrinio lauko pagreitintų elektronų kinetinė energija paprastai yra apie 10ev arba net didesnė, to pakanka reaktyviųjų dujų molekulių cheminiams ryšiams sunaikinti. Todėl dėl neelastinio didelės energijos elektronų ir reaktyviųjų dujų molekulių susidūrimo dujų molekulės bus jonizuotos arba suskaidomos, kad susidarytų neutralūs atomai ir molekuliniai produktai. Teigiamus jonus pagreitina jonų sluoksnis, greitinantis elektrinį lauką ir susiduria su viršutiniu elektrodu. Prie apatinio elektrodo taip pat yra nedidelis jonų sluoksnio elektrinis laukas, todėl substratas tam tikru mastu taip pat yra bombarduojamas jonų. Dėl to skilimo metu susidaranti neutrali medžiaga pasklinda į vamzdžio sienelę ir substratą. Dreifo ir difuzijos procese šios dalelės ir grupės (chemiškai aktyvūs neutralūs atomai ir molekulės vadinamos grupėmis) patirs jonų molekulių ir grupės molekulių reakciją dėl trumpo vidutinio laisvo kelio. Pagrindą pasiekiančių ir adsorbuojamų cheminių veikliųjų medžiagų (daugiausia grupių) cheminės savybės yra labai aktyvios, o plėvelė susidaro tarp jų sąveikaujant.
2. Cheminės reakcijos plazmoje
Kadangi reakcijos dujų sužadinimas švytėjimo iškrovos procese daugiausia yra elektronų susidūrimas, elementarios reakcijos plazmoje yra įvairios, o plazmos ir kieto paviršiaus sąveika taip pat labai sudėtinga, todėl sunkiau ištirti mechanizmą. PECVD procesas. Iki šiol daugelis svarbių reakcijų sistemų buvo optimizuotos eksperimentais, siekiant gauti idealių savybių plėveles. Silicio pagrindu pagamintų plonų plėvelių nusodinimui pagal PECVD technologiją, jei nusodinimo mechanizmas gali būti giliai atskleistas, silicio pagrindo plonų plėvelių nusodinimo greitis gali būti labai padidintas, atsižvelgiant į puikias fizines medžiagų savybes.
Šiuo metu tiriant plonas silicio plėveles, kaip reakcijos dujos plačiai naudojamas vandeniliu praskiestas silanas (SiH4), nes plonose silicio plėvelėse yra tam tikras vandenilio kiekis. H vaidina labai svarbų vaidmenį plonose silicio plėvelėse. Jis gali užpildyti kabančias jungtis medžiagos struktūroje, labai sumažinti defektų energijos lygį ir lengvai realizuoti medžiagų valentinį elektronų valdymą, nes spear ir kt. Pirmą kartą suprato silicio plonų plėvelių dopingo poveikį ir parengė pirmąją PN jungtį, PECVD technologija pagrįstų silicio pagrindo plonų plėvelių paruošimo ir pritaikymo tyrimai buvo išplėtoti šuoliais. Todėl cheminė reakcija plonose silicio plėvelėse, nusodintose PECVD technologija, bus aprašyta ir aptarta toliau.
Esant švytėjimo išlydžio sąlygai, kadangi silano plazmoje esantys elektronai turi daugiau nei keletą EV energijos, H2 ir SiH4 suirs susidūrus elektronams, kurie priklauso pirminei reakcijai. Jei neatsižvelgsime į tarpines sužadinimo būsenas, galime gauti tokias sihm (M = 0,1,2,3) disociacijos reakcijas su 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)
Pagal standartinę pagrindinės būsenos molekulių susidarymo šilumą minėtiems disociacijos procesams (2.1) ~ (2.5) reikalingos energijos yra atitinkamai 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ir 4.5 EV. Didelės energijos elektronai plazmoje taip pat gali patirti šias jonizacijos reakcijas
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)
Energija, reikalinga (2,6) ~ (2,9) yra atitinkamai 11,9, 12,3, 13,6 ir 15,3 EV. Dėl reakcijos energijos skirtumo (2,1) ~ (2,9) reakcijų tikimybė yra labai netolygi. Be to, sihmas, susidaręs vykstant reakcijos procesui (2.1) ~ (2.5), jonizuodamasis patirs šias antrines reakcijas, pvz.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Jei aukščiau minėta reakcija vykdoma naudojant vieną elektroninį procesą, reikalinga energija yra apie 12 eV ar daugiau. Atsižvelgiant į tai, kad didelės energijos elektronų, viršijančių 10ev, skaičius silpnai jonizuotoje plazmoje, kurios elektronų tankis yra 1010cm-3, esant atmosferos slėgiui (10-100pa) yra santykinai mažas silicio plėvelių paruošimui, jonizacijos tikimybė paprastai yra mažesnė už sužadinimo tikimybę. Todėl minėtų jonizuotų junginių dalis silano plazmoje yra labai maža, o neutralioji sihmų grupė dominuoja. Šią išvadą patvirtina ir masių spektro analizės rezultatai [8]. Bourquard ir kt. Be to, nurodė, kad sihm koncentracija sumažėjo sih3, sih2, Si ir SIH tvarka, tačiau SiH3 koncentracija buvo daugiausia tris kartus didesnė už SIH. Robertsonas ir kt. Pranešta, kad neutraliuose sihm produktuose grynas silanas daugiausia buvo naudojamas didelės galios iškrovimui, o sih3 daugiausia buvo naudojamas mažos galios iškrovimui. Koncentracijos tvarka nuo didelės iki mažos buvo SiH3, SiH, Si, SiH2. Todėl plazmos proceso parametrai stipriai veikia sihm neutralių produktų sudėtį.
Be minėtų disociacijos ir jonizacijos reakcijų, labai svarbios ir antrinės reakcijos tarp joninių molekulių
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Todėl, kalbant apie jonų koncentraciją, sih3 + yra daugiau nei sih2 +. Tai gali paaiškinti, kodėl SiH4 plazmoje yra daugiau sih3 + jonų nei sih2 + jonų.
Be to, vyks molekulinio atomo susidūrimo reakcija, kurios metu vandenilio atomai plazmoje sugauna vandenilį SiH4.
H+ SiH4 → SiH3+H2 (2,14)
Tai egzoterminė reakcija ir si2h6 susidarymo pirmtakas. Žinoma, šios grupės yra ne tik pagrindinės būsenos, bet ir sužadintos iki sužadintos būsenos plazmoje. Silano plazmos emisijos spektrai rodo, kad yra optiškai leistinos pereinamosios Si, SIH, h būsenos ir SiH2, SiH3 vibracinio sužadinimo būsenos.
Paskelbimo laikas: 2021-07-07