1. Belangrijkste processen van plasma-versterkte chemische dampafzetting
Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) is een nieuwe technologie voor de groei van dunne films door chemische reactie van gasvormige stoffen met behulp van glimontladingsplasma. Omdat PECVD-technologie wordt bereid door middel van gasontlading, worden de reactiekarakteristieken van niet-evenwichtsplasma effectief benut en wordt de energietoevoermodus van het reactiesysteem fundamenteel veranderd. Wanneer PECVD-technologie wordt gebruikt om dunne films te vervaardigen, omvat de groei van dunne films in het algemeen hoofdzakelijk de volgende drie basisprocessen:
Ten eerste reageren elektronen in het niet-evenwichtsplasma met het reactiegas in de primaire fase om het reactiegas te ontleden en een mengsel van ionen en actieve groepen te vormen;
Ten tweede diffunderen en transporteren allerlei actieve groepen naar het oppervlak en de wand van de film, en vinden de secundaire reacties tussen de reactanten tegelijkertijd plaats;
Tenslotte worden allerlei primaire en secundaire reactieproducten die het groeioppervlak bereiken geadsorbeerd en reageren met het oppervlak, begeleid door het opnieuw vrijkomen van gasvormige moleculen.
In het bijzonder kan PECVD-technologie, gebaseerd op de glimontladingsmethode, het reactiegas ioniseren om plasma te vormen onder de excitatie van een extern elektromagnetisch veld. In glimontladingsplasma is de kinetische energie van elektronen die worden versneld door een extern elektrisch veld gewoonlijk ongeveer 10 EV, of zelfs hoger, wat voldoende is om de chemische bindingen van reactieve gasmoleculen te vernietigen. Daarom zullen de gasmoleculen, door de inelastische botsing van hoogenergetische elektronen en reactieve gasmoleculen, worden geïoniseerd of ontleed om neutrale atomen en moleculaire producten te produceren. De positieve ionen worden versneld door het versnellende elektrische veld van de ionenlaag en botsen met de bovenste elektrode. Er is ook een klein elektrisch veld van de ionenlaag nabij de onderste elektrode, zodat het substraat tot op zekere hoogte ook door ionen wordt gebombardeerd. Als gevolg hiervan diffundeert de neutrale substantie die door ontleding wordt geproduceerd naar de buiswand en het substraat. Tijdens het proces van drift en diffusie zullen deze deeltjes en groepen (de chemisch actieve neutrale atomen en moleculen groepen genoemd) een ionmolecuulreactie en groepsmolecuulreactie ondergaan vanwege het korte gemiddelde vrije pad. De chemische eigenschappen van de chemisch actieve stoffen (voornamelijk groepen) die het substraat bereiken en worden geadsorbeerd, zijn zeer actief en de film wordt gevormd door de interactie daartussen.
2. Chemische reacties in plasma
Omdat de excitatie van het reactiegas bij het glimontladingsproces hoofdzakelijk een elektronenbotsing is, zijn de elementaire reacties in het plasma verschillend en is de interactie tussen het plasma en het vaste oppervlak ook zeer complex, wat het moeilijker maakt om het mechanisme te bestuderen. van het PECVD-proces. Tot nu toe zijn veel belangrijke reactiesystemen door experimenten geoptimaliseerd om films met ideale eigenschappen te verkrijgen. Voor de depositie van op silicium gebaseerde dunne films op basis van PECVD-technologie kan, als het depositiemechanisme diep kan worden onthuld, de depositiesnelheid van dunne films op siliciumbasis aanzienlijk worden verhoogd op basis van het uitgangspunt van het waarborgen van de uitstekende fysieke eigenschappen van materialen.
Momenteel wordt bij het onderzoek naar dunne films op siliciumbasis op grote schaal met waterstof verdund silaan (SiH4) gebruikt als reactiegas, omdat er een bepaalde hoeveelheid waterstof in de dunne films op siliciumbasis zit. H speelt een zeer belangrijke rol in de dunne films op siliciumbasis. Het kan de bungelende bindingen in de materiaalstructuur opvullen, het defecte energieniveau aanzienlijk verminderen en gemakkelijk de valentie-elektronencontrole van de materialen realiseren. Nadat we eerst het doteringseffect van dunne siliciumfilms hadden gerealiseerd en de eerste PN-overgang hadden voorbereid, is het onderzoek naar de voorbereiding en toepassing van op silicium gebaseerde dunne films op basis van PECVD-technologie met grote sprongen vooruitgegaan. Daarom zal de chemische reactie in op silicium gebaseerde dunne films, afgezet met PECVD-technologie, hieronder worden beschreven en besproken.
Onder de glimontladingstoestand zullen H2 en SiH4, omdat de elektronen in het silaanplasma meer dan verschillende EV-energie hebben, ontleden wanneer ze in botsing komen met elektronen, wat tot de primaire reactie behoort. Als we geen rekening houden met de tussenliggende aangeslagen toestanden, kunnen we de volgende dissociatiereacties van sihm (M = 0,1,2,3) krijgen met 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)
Volgens de standaardproductiewarmte van grondtoestandmoleculen zijn de energieën die nodig zijn voor de bovengenoemde dissociatieprocessen (2.1) ~ (2.5) respectievelijk 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV en 4,5 EV. Hoogenergetische elektronen in plasma kunnen ook de volgende ionisatiereacties ondergaan
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)
De energie die nodig is voor (2,6) ~ (2,9) is respectievelijk 11,9, 12,3, 13,6 en 15,3 EV. Vanwege het verschil in reactie-energie is de waarschijnlijkheid van (2,1) ~ (2,9) reacties zeer ongelijk. Bovendien zal de sihm gevormd met het reactieproces (2.1) ~ (2.5) de volgende secundaire reacties ondergaan om te ioniseren, zoals
SiH+e → SiH++2e (2,10)
SiH2+e → SiH2++2e (2.11)
SiH3+e → SiH3++2e (2,12)
Als de bovenstaande reactie wordt uitgevoerd door middel van een enkel elektronenproces, is de benodigde energie ongeveer 12 eV of meer. Gezien het feit dat het aantal hoogenergetische elektronen boven 10 EV in het zwak geïoniseerde plasma met een elektronendichtheid van 1010 cm-3 relatief klein is onder de atmosferische druk (10-100 Pa) voor de bereiding van op silicium gebaseerde films, is de cumulatieve De ionisatiekans is doorgaans kleiner dan de excitatiekans. Daarom is het aandeel van de bovengenoemde geïoniseerde verbindingen in silaanplasma erg klein en is de neutrale groep van sihm dominant. De resultaten van de massaspectrumanalyse bewijzen deze conclusie ook [8]. Bourquard et al. Verder werd erop gewezen dat de concentratie van sihm afnam in de orde van grootte van sih3, sih2, Si en SIH, maar dat de concentratie van SiH3 hooguit drie keer zo groot was als die van SIH. Robertson et al. Gerapporteerd dat in de neutrale producten van sihm puur silaan voornamelijk werd gebruikt voor ontlading met hoog vermogen, terwijl sih3 voornamelijk werd gebruikt voor ontlading met laag vermogen. De concentratievolgorde van hoog naar laag was SiH3, SiH, Si, SiH2. Daarom hebben de plasmaprocesparameters een sterke invloed op de samenstelling van sihm-neutrale producten.
Naast de bovengenoemde dissociatie- en ionisatiereacties zijn ook de secundaire reacties tussen ionische moleculen erg belangrijk
SiH2+SiH4 →SiH3++SiH3 (2,13)
Daarom is sih3 +, in termen van ionenconcentratie, meer dan sih2 +. Het kan verklaren waarom er meer sih3+-ionen dan sih2+-ionen in SiH4-plasma zitten.
Bovendien zal er een botsingsreactie van moleculaire atomen plaatsvinden waarbij de waterstofatomen in het plasma de waterstof in SiH4 vangen
H+ SiH4 → SiH3 + H2 (2,14)
Het is een exotherme reactie en een voorloper voor de vorming van si2h6. Uiteraard bevinden deze groepen zich niet alleen in de grondtoestand, maar ook in de aangeslagen toestand in het plasma. De emissiespectra van silaanplasma laten zien dat er optisch toelaatbare geëxciteerde overgangstoestanden zijn van Si, SIH, h, en aangeslagen trillingstoestanden van SiH2, SiH3.
Posttijd: 07 april 2021