1. Hovedprosesser for plasmaforsterket kjemisk dampavsetning
Plasma-forsterket kjemisk dampavsetning (PECVD) er en ny teknologi for vekst av tynne filmer ved kjemisk reaksjon av gassformige stoffer ved hjelp av glødeutladningsplasma. Fordi PECVD-teknologien er forberedt ved gassutslipp, blir reaksjonsegenskapene til ikke-likevektsplasma effektivt utnyttet, og energitilførselsmodusen til reaksjonssystemet er fundamentalt endret. Generelt sett, når PECVD-teknologi brukes til å fremstille tynne filmer, inkluderer veksten av tynne filmer hovedsakelig følgende tre grunnleggende prosesser
For det første, i ikke-likevektsplasmaet, reagerer elektroner med reaksjonsgassen i primærtrinnet for å dekomponere reaksjonsgassen og danne en blanding av ioner og aktive grupper;
For det andre diffunderer alle slags aktive grupper og transporterer seg til overflaten og veggen av filmen, og de sekundære reaksjonene mellom reaktantene skjer samtidig;
Til slutt blir alle typer primære og sekundære reaksjonsprodukter som når vekstoverflaten adsorbert og reagerer med overflaten, ledsaget av refrigjøring av gassformige molekyler.
Spesielt kan PECVD-teknologi basert på glødeutladningsmetode få reaksjonsgassen til å ionisere for å danne plasma under eksitasjon av eksternt elektromagnetisk felt. I glødeutladningsplasma er den kinetiske energien til elektroner akselerert av eksternt elektrisk felt vanligvis omtrent 10ev, eller enda høyere, noe som er nok til å ødelegge de kjemiske bindingene til reaktive gassmolekyler. Derfor, gjennom den uelastiske kollisjonen av høyenergielektroner og reaktive gassmolekyler, vil gassmolekylene bli ionisert eller dekomponert for å produsere nøytrale atomer og molekylære produkter. De positive ionene akselereres ved at ionelaget akselererer elektrisk felt og kolliderer med den øvre elektroden. Det er også et lite ionelags elektrisk felt nær den nedre elektroden, så substratet blir også bombardert av ioner til en viss grad. Som et resultat diffunderer det nøytrale stoffet som produseres ved nedbrytning til rørveggen og substratet. I prosessen med drift og diffusjon vil disse partiklene og gruppene (de kjemisk aktive nøytrale atomene og molekylene kalles grupper) gjennomgå ionemolekylreaksjon og gruppemolekylreaksjon på grunn av den korte gjennomsnittlige frie banen. De kjemiske egenskapene til de kjemiske aktive stoffene (hovedsakelig grupper) som når substratet og adsorberes er svært aktive, og filmen dannes ved interaksjonen mellom dem.
2. Kjemiske reaksjoner i plasma
Fordi eksitasjonen av reaksjonsgassen i glødeutladningsprosessen hovedsakelig er elektronkollisjon, er de elementære reaksjonene i plasma forskjellige, og samspillet mellom plasmaet og den faste overflaten er også svært kompleks, noe som gjør det vanskeligere å studere mekanismen. av PECVD-prosessen. Så langt har mange viktige reaksjonssystemer blitt optimalisert ved eksperimenter for å oppnå filmer med ideelle egenskaper. For avsetning av silisiumbaserte tynne filmer basert på PECVD-teknologi, hvis avsetningsmekanismen kan avsløres dypt, kan avsetningshastigheten til silisiumbaserte tynne filmer økes kraftig under forutsetningen om å sikre de utmerkede fysiske egenskapene til materialer.
For tiden, i forskningen på silisiumbaserte tynnfilmer, er hydrogenfortynnet silan (SiH4) mye brukt som reaksjonsgass fordi det er en viss mengde hydrogen i de silisiumbaserte tynnfilmene. H spiller en svært viktig rolle i de silisiumbaserte tynnfilmene. Det kan fylle de dinglende bindingene i materialstrukturen, redusere energinivået for defekter og lett realisere valenselektronkontrollen til materialene Siden spear et al. Først innså dopingeffekten av tynne silisiumfilmer og forberedte det første PN-krysset i, forskningen på utarbeidelse og anvendelse av silisiumbaserte tynnfilmer basert på PECVD-teknologi har blitt utviklet med stormskritt. Derfor vil den kjemiske reaksjonen i silisiumbaserte tynne filmer avsatt av PECVD-teknologi bli beskrevet og diskutert i det følgende.
Under glødeutladningstilstanden, fordi elektronene i silanplasmaet har mer enn flere EV-energi, vil H2 og SiH4 brytes ned når de kollideres av elektroner, som tilhører den primære reaksjonen. Hvis vi ikke tar i betraktning de mellomliggende eksiterte tilstandene, kan vi få følgende dissosiasjonsreaksjoner av sihm (M = 0,1,2,3) med 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)
I henhold til standard produksjonsvarmen for grunntilstandsmolekyler, er energiene som kreves for de ovennevnte dissosiasjonsprosessene (2.1) ~ (2.5) henholdsvis 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV og 4.5 EV. Høyenergielektroner i plasma kan også gjennomgå følgende ioniseringsreaksjoner
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)
Energien som kreves for (2,6) ~ (2,9) er henholdsvis 11,9, 12,3, 13,6 og 15,3 EV. På grunn av forskjellen i reaksjonsenergi, er sannsynligheten for (2,1) ~ (2,9) reaksjoner svært ujevn. I tillegg vil sihmen som dannes med reaksjonsprosessen (2.1) ~ (2.5) gjennomgå følgende sekundære reaksjoner for å ionisere, som f.eks.
SiH+e→SiH++2e (2,10)
SiH2+e→SiH2++2e (2,11)
SiH3+e→SiH3++2e (2,12)
Hvis reaksjonen ovenfor utføres ved hjelp av en enkelt elektronprosess, er energien som kreves ca. 12 eV eller mer. I lys av det faktum at antallet høyenergielektroner over 10ev i det svakt ioniserte plasmaet med elektrontetthet på 1010cm-3 er relativt lite under det atmosfæriske trykket (10-100pa) for fremstilling av silisiumbaserte filmer. ioniseringssannsynligheten er generelt mindre enn eksitasjonssannsynligheten. Derfor er andelen av de ovennevnte ioniserte forbindelsene i silanplasma veldig liten, og den nøytrale gruppen av sihm er dominerende. Massespektrumanalyseresultatene beviser også denne konklusjonen [8]. Bourquard et al. Påpekte videre at konsentrasjonen av sihm sank i størrelsesorden sih3, sih2, Si og SIH, men konsentrasjonen av SiH3 var høyst tre ganger den for SIH. Robertson et al. Rapporterte at i de nøytrale produktene til sihm ble ren silan hovedsakelig brukt til høyeffektutladning, mens sih3 hovedsakelig ble brukt til laveffektutladning. Konsentrasjonsrekkefølgen fra høy til lav var SiH3, SiH, Si, SiH2. Derfor påvirker plasmaprosessparametrene sterkt sammensetningen av sihm-nøytrale produkter.
I tillegg til de ovennevnte dissosiasjons- og ioniseringsreaksjonene, er de sekundære reaksjonene mellom ioniske molekyler også svært viktige
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Derfor, når det gjelder ionekonsentrasjon, er sih3 + mer enn sih2 +. Det kan forklare hvorfor det er flere sih3 + ioner enn sih2 + ioner i SiH4 plasma.
I tillegg vil det være en molekylær atomkollisjonsreaksjon der hydrogenatomene i plasma fanger opp hydrogenet i SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Det er en eksoterm reaksjon og en forløper for dannelsen av si2h6. Selvfølgelig er disse gruppene ikke bare i grunntilstanden, men også eksiterte til den eksiterte tilstanden i plasma. Emisjonsspektrene til silanplasma viser at det er optisk tillatte eksiterte overgangstilstander av Si, SIH, h og vibrasjonseksiterte tilstander av SiH2, SiH3
Innleggstid: 07. april 2021