Teknologi asas pemendapan wap kimia dipertingkatkan plasma (PECVD)

1. Proses utama pemendapan wap kimia plasma dipertingkatkan

Pemendapan wap kimia dipertingkatkan plasma (PECVD) ialah teknologi baharu untuk pertumbuhan filem nipis melalui tindak balas kimia bahan gas dengan bantuan plasma nyahcas cahaya. Oleh kerana teknologi PECVD disediakan melalui pelepasan gas, ciri tindak balas plasma bukan keseimbangan digunakan dengan berkesan, dan mod bekalan tenaga sistem tindak balas diubah secara asasnya. Secara umumnya, apabila teknologi PECVD digunakan untuk menyediakan filem nipis, pertumbuhan filem nipis terutamanya merangkumi tiga proses asas berikut

Pertama, dalam plasma bukan keseimbangan, elektron bertindak balas dengan gas tindak balas pada peringkat primer untuk mengurai gas tindak balas dan membentuk campuran ion dan kumpulan aktif;

Kedua, semua jenis kumpulan aktif meresap dan mengangkut ke permukaan dan dinding filem, dan tindak balas sekunder antara bahan tindak balas berlaku pada masa yang sama;

Akhirnya, semua jenis produk tindak balas primer dan sekunder yang mencapai permukaan pertumbuhan diserap dan bertindak balas dengan permukaan, disertai dengan pelepasan semula molekul gas.

Secara khusus, teknologi PECVD berdasarkan kaedah nyahcas cahaya boleh menjadikan gas tindak balas mengion untuk membentuk plasma di bawah pengujaan medan elektromagnet luaran. Dalam plasma nyahcas cahaya, tenaga kinetik elektron yang dipercepatkan oleh medan elektrik luaran biasanya kira-kira 10ev, atau lebih tinggi, yang cukup untuk memusnahkan ikatan kimia molekul gas reaktif. Oleh itu, melalui perlanggaran tak anjal elektron bertenaga tinggi dan molekul gas reaktif, molekul gas akan terion atau terurai untuk menghasilkan atom neutral dan produk molekul. Ion positif dipercepatkan oleh lapisan ion yang mempercepatkan medan elektrik dan berlanggar dengan elektrod atas. Terdapat juga medan elektrik lapisan ion kecil berhampiran elektrod bawah, jadi substrat juga dihujani oleh ion sedikit sebanyak. Akibatnya, bahan neutral yang dihasilkan oleh penguraian meresap ke dinding tiub dan substrat. Dalam proses hanyutan dan resapan, zarah dan kumpulan ini (atom dan molekul neutral yang aktif secara kimia dipanggil kumpulan) akan mengalami tindak balas molekul ion dan tindak balas molekul kumpulan disebabkan oleh laluan bebas purata pendek. Sifat kimia bahan aktif kimia (terutamanya kumpulan) yang mencapai substrat dan terserap adalah sangat aktif, dan filem terbentuk oleh interaksi antara mereka.

2. Tindak balas kimia dalam plasma

Kerana pengujaan gas tindak balas dalam proses pelepasan cahaya adalah terutamanya perlanggaran elektron, tindak balas asas dalam plasma adalah pelbagai, dan interaksi antara plasma dan permukaan pepejal juga sangat kompleks, yang menjadikannya lebih sukar untuk mengkaji mekanisme proses PECVD. Setakat ini, banyak sistem tindak balas penting telah dioptimumkan oleh eksperimen untuk mendapatkan filem dengan sifat yang ideal. Untuk pemendapan filem nipis berasaskan silikon berdasarkan teknologi PECVD, jika mekanisme pemendapan dapat didedahkan dengan mendalam, kadar pemendapan filem nipis berasaskan silikon boleh ditingkatkan dengan banyak atas premis memastikan sifat fizikal bahan yang sangat baik.

Pada masa ini, dalam penyelidikan filem nipis berasaskan silikon, silan cair hidrogen (SiH4) digunakan secara meluas sebagai gas tindak balas kerana terdapat sejumlah hidrogen dalam filem nipis berasaskan silikon. H memainkan peranan yang sangat penting dalam filem nipis berasaskan silikon. Ia boleh mengisi ikatan berjuntai dalam struktur bahan, mengurangkan tahap tenaga kecacatan, dan dengan mudah menyedari kawalan elektron valens bahan Sejak spear et al. Mula-mula menyedari kesan doping filem nipis silikon dan menyediakan simpang PN pertama, penyelidikan mengenai penyediaan dan penggunaan filem nipis berasaskan silikon berdasarkan teknologi PECVD telah dibangunkan dengan pesat. Oleh itu, tindak balas kimia dalam filem nipis berasaskan silikon yang dimendapkan oleh teknologi PECVD akan diterangkan dan dibincangkan dalam perkara berikut.

Di bawah keadaan nyahcas cahaya, kerana elektron dalam plasma silane mempunyai lebih daripada beberapa tenaga EV, H2 dan SiH4 akan terurai apabila ia dilanggar oleh elektron, yang tergolong dalam tindak balas utama. Jika kita tidak mempertimbangkan keadaan teruja perantaraan, kita boleh mendapatkan tindak balas penceraian berikut bagi sihm (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)

Mengikut haba piawai penghasilan molekul keadaan tanah, tenaga yang diperlukan untuk proses penceraian di atas (2.1) ~ (2.5) masing-masing ialah 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV dan 4.5 EV. Elektron tenaga tinggi dalam plasma juga boleh menjalani tindak balas pengionan 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)

Tenaga yang diperlukan untuk (2.6) ~ (2.9) masing-masing ialah 11.9, 12.3, 13.6 dan 15.3 EV. Disebabkan oleh perbezaan tenaga tindak balas, kebarangkalian (2.1) ~ (2.9) tindak balas adalah sangat tidak sekata. Selain itu, sihm yang terbentuk dengan proses tindak balas (2.1) ~ (2.5) akan mengalami tindak balas sekunder berikut untuk mengion, seperti

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Jika tindak balas di atas dijalankan melalui proses elektron tunggal, tenaga yang diperlukan adalah kira-kira 12 eV atau lebih. Memandangkan fakta bahawa bilangan elektron tenaga tinggi melebihi 10ev dalam plasma terion lemah dengan ketumpatan elektron 1010cm-3 adalah agak kecil di bawah tekanan atmosfera (10-100pa) untuk penyediaan filem berasaskan silikon, The kumulatif kebarangkalian pengionan secara amnya lebih kecil daripada kebarangkalian pengujaan. Oleh itu, bahagian sebatian terion di atas dalam plasma silane adalah sangat kecil, dan kumpulan neutral sihm adalah dominan. Keputusan analisis spektrum jisim juga membuktikan kesimpulan ini [8]. Bourquard et al. Selanjutnya menegaskan bahawa kepekatan sihm menurun dalam susunan sih3, sih2, Si dan SIH, tetapi kepekatan SiH3 adalah paling banyak tiga kali ganda berbanding SIH. Robertson et al. Dilaporkan bahawa dalam produk neutral sihm, silane tulen digunakan terutamanya untuk nyahcas kuasa tinggi, manakala sih3 digunakan terutamanya untuk nyahcas kuasa rendah. Susunan kepekatan dari tinggi ke rendah ialah SiH3, SiH, Si, SiH2. Oleh itu, parameter proses plasma sangat mempengaruhi komposisi produk neutral sihm.

Sebagai tambahan kepada tindak balas penceraian dan pengionan di atas, tindak balas sekunder antara molekul ionik juga sangat penting.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Oleh itu, dari segi kepekatan ion, sih3 + adalah lebih daripada sih2 +. Ia boleh menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak ion sih3 + daripada ion sih2 + dalam plasma SiH4.

Di samping itu, akan berlaku tindak balas perlanggaran atom molekul di mana atom hidrogen dalam plasma menangkap hidrogen dalam SiH4

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Ia adalah tindak balas eksotermik dan prekursor untuk pembentukan si2h6. Sudah tentu, kumpulan ini bukan sahaja dalam keadaan dasar, tetapi juga teruja dengan keadaan teruja dalam plasma. Spektrum pelepasan plasma silan menunjukkan bahawa terdapat keadaan teruja peralihan optik Si, SIH, h, dan keadaan teruja getaran SiH2, SiH3 yang boleh diterima secara optik.