1. Principalele procese de depunere chimică de vapori îmbunătățită cu plasmă
Depunerea chimică în vapori îmbunătățită cu plasmă (PECVD) este o nouă tehnologie pentru creșterea peliculelor subțiri prin reacția chimică a substanțelor gazoase cu ajutorul plasmei cu descărcare strălucitoare. Deoarece tehnologia PECVD este pregătită prin descărcare de gaz, caracteristicile de reacție ale plasmei de neechilibru sunt utilizate în mod eficient, iar modul de alimentare cu energie a sistemului de reacție este schimbat fundamental. În general, atunci când tehnologia PECVD este utilizată pentru prepararea peliculelor subțiri, creșterea peliculelor subțiri include în principal următoarele trei procese de bază
În primul rând, în plasma de neechilibru, electronii reacționează cu gazul de reacție în stadiul primar pentru a descompune gazul de reacție și a forma un amestec de ioni și grupări active;
În al doilea rând, tot felul de grupuri active difuzează și transportă la suprafața și peretele filmului, iar reacțiile secundare dintre reactanți au loc în același timp;
În cele din urmă, toate tipurile de produse de reacție primare și secundare care ajung la suprafața de creștere sunt adsorbite și reacționează cu suprafața, însoțită de reeliberarea de molecule gazoase.
Mai exact, tehnologia PECVD bazată pe metoda de descărcare luminoasă poate face ca gazul de reacție să ionizeze pentru a forma plasmă sub excitarea câmpului electromagnetic extern. În plasma cu descărcare luminoasă, energia cinetică a electronilor accelerată de câmpul electric extern este de obicei de aproximativ 10 ev, sau chiar mai mare, ceea ce este suficient pentru a distruge legăturile chimice ale moleculelor de gaz reactiv. Prin urmare, prin ciocnirea inelastică a electronilor de înaltă energie și a moleculelor de gaz reactive, moleculele de gaz vor fi ionizate sau descompuse pentru a produce atomi neutri și produse moleculare. Ionii pozitivi sunt accelerați de stratul ionic care accelerează câmpul electric și se ciocnesc cu electrodul superior. Există, de asemenea, un mic câmp electric de strat de ioni în apropierea electrodului inferior, astfel încât substratul este, de asemenea, bombardat de ioni într-o oarecare măsură. Ca urmare, substanța neutră produsă prin descompunere difuzează pe peretele tubului și pe substrat. În procesul de deriva și difuzie, aceste particule și grupuri (atomii și moleculele neutre active din punct de vedere chimic se numesc grupuri) vor suferi o reacție a moleculei ionice și o reacție a moleculei de grup datorită căii libere medii scurte. Proprietățile chimice ale substanțelor chimice active (în principal grupe) care ajung la substrat și sunt adsorbite sunt foarte active, iar pelicula se formează prin interacțiunea dintre ele.
2. Reacții chimice în plasmă
Deoarece excitația gazului de reacție în procesul de descărcare luminoasă este în principal ciocnirea electronilor, reacțiile elementare din plasmă sunt diverse, iar interacțiunea dintre plasmă și suprafața solidă este, de asemenea, foarte complexă, ceea ce face mai dificilă studierea mecanismului. a procesului PECVD. Până acum, multe sisteme de reacție importante au fost optimizate prin experimente pentru a obține filme cu proprietăți ideale. Pentru depunerea filmelor subțiri pe bază de siliciu bazate pe tehnologia PECVD, dacă mecanismul de depunere poate fi dezvăluit în profunzime, viteza de depunere a filmelor subțiri pe bază de siliciu poate fi crescută mult pe premisa asigurării proprietăților fizice excelente ale materialelor.
În prezent, în cercetarea filmelor subțiri pe bază de siliciu, silanul diluat cu hidrogen (SiH4) este utilizat pe scară largă ca gaz de reacție deoarece există o anumită cantitate de hidrogen în filmele subțiri pe bază de siliciu. H joacă un rol foarte important în filmele subțiri pe bază de siliciu. Poate umple legăturile care atârnă în structura materialului, poate reduce foarte mult nivelul de energie al defectului și poate realiza cu ușurință controlul electronului de valență al materialelor, deoarece spear și colab. Întâi am realizat efectul de dopaj al filmelor subțiri de siliciu și a pregătit prima joncțiune PN în, cercetările privind pregătirea și aplicarea filmelor subțiri pe bază de siliciu bazate pe tehnologia PECVD au fost dezvoltate cu un pas rapid. Prin urmare, reacția chimică în filmele subțiri pe bază de siliciu depuse prin tehnologia PECVD va fi descrisă și discutată în cele ce urmează.
În condiția de descărcare luminoasă, deoarece electronii din plasma de silan au mai mult de câteva energie EV, H2 și SiH4 se vor descompune atunci când sunt ciocniți de electroni, care aparține reacției primare. Dacă nu luăm în considerare stările excitate intermediare, putem obține următoarele reacții de disociere de sihm (M = 0,1,2,3) cu 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)
Conform căldurii standard de producție a moleculelor de stare fundamentală, energiile necesare pentru procesele de disociere de mai sus (2.1) ~ (2.5) sunt 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV și, respectiv, 4,5 EV. Electronii de înaltă energie din plasmă pot suferi, de asemenea, următoarele reacții de ionizare
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)
Energia necesară pentru (2.6) ~ (2.9) este de 11,9, 12,3, 13,6 și, respectiv, 15,3 EV. Datorită diferenței de energie de reacție, probabilitatea reacțiilor (2.1) ~ (2.9) este foarte inegală. În plus, sihm-ul format cu procesul de reacție (2.1) ~ (2.5) va suferi următoarele reacții secundare de ionizare, cum ar fi
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Dacă reacția de mai sus este efectuată prin intermediul unui proces cu un singur electron, energia necesară este de aproximativ 12 eV sau mai mult. Având în vedere faptul că numărul de electroni de înaltă energie peste 10ev în plasma slab ionizată cu densitatea electronică de 1010cm-3 este relativ mic sub presiunea atmosferică (10-100pa) pentru prepararea filmelor pe bază de siliciu, probabilitatea de ionizare este în general mai mică decât probabilitatea de excitare. Prin urmare, proporția compușilor ionizați de mai sus în plasma silan este foarte mică, iar grupul neutru al sihm este dominant. Rezultatele analizei spectrului de masă demonstrează, de asemenea, această concluzie [8]. Bourquard şi colab. Mai mult, a subliniat că concentrația de sihm a scăzut de ordinul sih3, sih2, Si și SIH, dar concentrația de SiH3 a fost de cel mult trei ori mai mare decât a SIH. Robertson şi colab. S-a raportat că în produsele neutre ale sihm, silanul pur a fost folosit în principal pentru descărcarea de mare putere, în timp ce sih3 a fost folosit în principal pentru descărcarea de putere mică. Ordinea concentrației de la mare la scăzut a fost SiH3, SiH, Si, SiH2. Prin urmare, parametrii procesului cu plasmă afectează puternic compoziția produselor neutre sihm.
Pe lângă reacțiile de disociere și ionizare de mai sus, reacțiile secundare dintre moleculele ionice sunt, de asemenea, foarte importante
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Prin urmare, în ceea ce privește concentrația ionilor, sih3 + este mai mare decât sih2 +. Poate explica de ce există mai mulți ioni sih3 + decât ioni sih2 + în plasma SiH4.
În plus, va exista o reacție de coliziune a atomilor moleculari în care atomii de hidrogen din plasmă captează hidrogenul din SiH4.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Este o reacție exotermă și un precursor pentru formarea si2h6. Desigur, aceste grupuri nu sunt doar în starea fundamentală, ci și excitate în starea excitată în plasmă. Spectrele de emisie ale plasmei de silan arată că există stări excitate de tranziție optic admisibile ale Si, SIH, h și stări excitate vibraționale ale SiH2, SiH3
Ora postării: 07.04.2021