Plazmas pastiprinātas ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (PECVD) pamattehnoloģija

1. Galvenie plazmas pastiprinātas ķīmiskās tvaiku pārklāšanas procesi

Plazmas pastiprināta ķīmiskā tvaiku nogulsnēšanās (PECVD) ir jauna tehnoloģija plānu kārtiņu audzēšanai gāzveida vielu ķīmiskās reakcijas rezultātā ar kvēlizlādes plazmas palīdzību. Tā kā PECVD tehnoloģija tiek sagatavota ar gāzu izlādi, tiek efektīvi izmantotas nelīdzsvara plazmas reakcijas īpašības, un reakcijas sistēmas enerģijas padeves režīms tiek būtiski mainīts. Vispārīgi runājot, ja plāno kārtiņu sagatavošanai izmanto PECVD tehnoloģiju, plāno kārtiņu augšana galvenokārt ietver šādus trīs pamatprocesus

Pirmkārt, nelīdzsvara plazmā elektroni reaģē ar reakcijas gāzi primārajā stadijā, sadalot reakcijas gāzi un veidojot jonu un aktīvo grupu maisījumu;

Otrkārt, visa veida aktīvās grupas izkliedējas un transportē uz plēves virsmu un sienu, un vienlaikus notiek sekundārās reakcijas starp reaģentiem;

Visbeidzot, visa veida primārās un sekundārās reakcijas produkti, kas sasniedz augšanas virsmu, tiek adsorbēti un reaģē ar virsmu, ko pavada gāzveida molekulu atkārtota izdalīšanās.

Konkrēti, PECVD tehnoloģija, kuras pamatā ir kvēlizlādes metode, var likt reakcijas gāzei jonizēties, veidojot plazmu ārējā elektromagnētiskā lauka ierosmē. Kvēlizlādes plazmā ārēja elektriskā lauka paātrināto elektronu kinētiskā enerģija parasti ir aptuveni 10ev vai pat lielāka, kas ir pietiekami, lai iznīcinātu reaktīvo gāzes molekulu ķīmiskās saites. Tāpēc augstas enerģijas elektronu un reaktīvo gāzes molekulu neelastīgās sadursmes rezultātā gāzes molekulas tiks jonizētas vai sadalītas, veidojot neitrālus atomus un molekulārus produktus. Pozitīvos jonus paātrina jonu slānis, paātrinot elektrisko lauku, un tie saduras ar augšējo elektrodu. Apakšējā elektroda tuvumā ir arī neliels jonu slāņa elektriskais lauks, tāpēc substrātu zināmā mērā bombardē arī joni. Rezultātā neitrālā viela, kas rodas sadalīšanās rezultātā, izkliedējas uz caurules sieniņu un substrātu. Dreifa un difūzijas procesā šīm daļiņām un grupām (ķīmiski aktīvos neitrālos atomus un molekulas sauc par grupām) tiks veikta jonu molekulu reakcija un grupas molekulas reakcija īsā vidējā brīvā ceļa dēļ. Ķīmiski aktīvo vielu (galvenokārt grupu) ķīmiskās īpašības, kas sasniedz substrātu un tiek adsorbētas, ir ļoti aktīvas, un plēve veidojas to mijiedarbībā.

2. Ķīmiskās reakcijas plazmā

Tā kā reakcijas gāzes ierosināšana kvēlizlādes procesā galvenokārt ir elektronu sadursme, elementārās reakcijas plazmā ir dažādas, un arī plazmas un cietās virsmas mijiedarbība ir ļoti sarežģīta, kas apgrūtina mehānisma izpēti. PECVD process. Līdz šim daudzas svarīgas reakcijas sistēmas ir optimizētas eksperimentu rezultātā, lai iegūtu plēves ar ideālām īpašībām. Silīcija plānu kārtiņu nogulsnēšanai, kuras pamatā ir PECVD tehnoloģija, ja nogulsnēšanas mehānismu var dziļi atklāt, silīcija bāzes plāno kārtiņu nogulsnēšanas ātrumu var ievērojami palielināt, nodrošinot materiālu izcilās fizikālās īpašības.

Pašlaik silīcija plānu kārtiņu pētījumos kā reakcijas gāzi plaši izmanto ar ūdeņradi atšķaidītu silānu (SiH4), jo plānās kārtiņās uz silīcija bāzes ir noteikts ūdeņraža daudzums. H ir ļoti svarīga loma silīcija bāzes plānās plēvēs. Tas var aizpildīt piekārtās saites materiāla struktūrā, ievērojami samazināt defektu enerģijas līmeni un viegli realizēt materiālu valences elektronu vadību kopš šķēpa et al. Pirmo reizi apzinoties silīcija plāno kārtiņu dopinga efektu un sagatavojot pirmo PN savienojumu, pētījumi par silīcija bāzes plāno kārtiņu sagatavošanu un pielietošanu, pamatojoties uz PECVD tehnoloģiju, ir attīstījušies lēcieniem un robežām. Tāpēc ķīmiskā reakcija silīcija bāzes plānās kārtiņās, kas nogulsnētas ar PECVD tehnoloģiju, tiks aprakstītas un apspriestas turpmāk.

Kvēlizlādes apstākļos, jo silāna plazmā esošajiem elektroniem ir vairāk nekā vairākas EV enerģijas, H2 un SiH4 sadalīsies, tos saduroties ar elektroniem, kas pieder pie primārās reakcijas. Ja neņem vērā starpposma ierosinātos stāvokļus, mēs varam iegūt šādas sihm (M = 0,1,2,3) disociācijas reakcijas ar 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)

Atbilstoši pamatstāvokļa molekulu ražošanas standarta siltumam iepriekšminētajiem disociācijas procesiem (2.1) ~ (2.5) nepieciešamās enerģijas ir attiecīgi 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV un 4.5 EV. Augstas enerģijas elektroni plazmā var iziet arī šādas jonizācijas 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)

Enerģija, kas nepieciešama, lai sasniegtu (2,6) ~ (2,9), ir attiecīgi 11,9, 12,3, 13,6 un 15,3 EV. Reakcijas enerģijas atšķirības dēļ (2.1) ~ (2.9) reakciju iespējamība ir ļoti nevienmērīga. Turklāt sihms, kas veidojas reakcijas procesā (2.1) ~ (2.5), tiks pakļauts šādām sekundārajām reakcijām, lai jonizētos, piemēram,

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11.)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12.)

Ja iepriekš minēto reakciju veic ar viena elektrona procesu, nepieciešamā enerģija ir aptuveni 12 eV vai vairāk. Ņemot vērā to, ka augstas enerģijas elektronu skaits virs 10ev vāji jonizētā plazmā ar elektronu blīvumu 1010cm-3 ir salīdzinoši mazs zem atmosfēras spiediena (10-100pa) silīcija plēvju pagatavošanai, jonizācijas varbūtība parasti ir mazāka par ierosmes varbūtību. Tāpēc iepriekš minēto jonizēto savienojumu īpatsvars silāna plazmā ir ļoti mazs, un dominē neitrālā sihmu grupa. Šo secinājumu pierāda arī masu spektra analīzes rezultāti [8]. Bourquard et al. Turklāt norādīja, ka sihm koncentrācija samazinājās sih3, sih2, Si un SIH secībā, bet SiH3 koncentrācija bija ne vairāk kā trīs reizes lielāka nekā SIH. Robertsons et al. Ziņoja, ka neitrālajos sihm produktos tīrs silāns galvenokārt tika izmantots lieljaudas izlādei, savukārt sih3 galvenokārt tika izmantots mazjaudas izlādei. Koncentrācijas secība no augstas uz zemu bija SiH3, SiH, Si, SiH2. Tāpēc plazmas procesa parametri spēcīgi ietekmē sihm neitrālu produktu sastāvu.

Papildus iepriekšminētajām disociācijas un jonizācijas reakcijām ļoti svarīgas ir arī sekundārās reakcijas starp jonu molekulām.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Tāpēc jonu koncentrācijas ziņā sih3 + ir vairāk nekā sih2 +. Tas var izskaidrot, kāpēc SiH4 plazmā ir vairāk sih3 + jonu nekā sih2 + jonu.

Turklāt notiks molekulāro atomu sadursmes reakcija, kurā ūdeņraža atomi plazmā uztver ūdeņradi SiH4.

H+ SiH4 → SiH3+H2 (2,14)

Tā ir eksotermiska reakcija un si2h6 veidošanās prekursors. Protams, šīs grupas ir ne tikai pamatstāvoklī, bet arī satrauktas līdz ierosinātajam stāvoklim plazmā. Silāna plazmas emisijas spektri parāda, ka ir optiski pieļaujami Si, SIH, h pārejas ierosinātie stāvokļi un SiH2, SiH3 vibrācijas ierosinātie stāvokļi.