1. Hlavné procesy plazmovej chemickej depozície z pár
Plazmovo zosilnená chemická depozícia z plynnej fázy (PECVD) je nová technológia na rast tenkých vrstiev chemickou reakciou plynných látok pomocou plazmy žeravého výboja. Pretože technológia PECVD sa pripravuje výbojom plynu, efektívne sa využívajú reakčné charakteristiky nerovnovážnej plazmy a zásadne sa mení spôsob dodávky energie reakčného systému. Všeobecne povedané, keď sa technológia PECVD používa na prípravu tenkých vrstiev, rast tenkých vrstiev zahŕňa najmä tieto tri základné procesy
Po prvé, v nerovnovážnej plazme elektróny reagujú s reakčným plynom v primárnom štádiu, aby rozložili reakčný plyn a vytvorili zmes iónov a aktívnych skupín;
Po druhé, všetky druhy aktívnych skupín difundujú a transportujú sa na povrch a stenu filmu a súčasne prebiehajú sekundárne reakcie medzi reaktantmi;
Nakoniec sú všetky druhy primárnych a sekundárnych reakčných produktov, ktoré sa dostanú na rastový povrch, adsorbované a reagujú s povrchom, sprevádzané opätovným uvoľňovaním plynných molekúl.
Konkrétne technológia PECVD založená na metóde žeravého výboja môže spôsobiť ionizáciu reakčného plynu za vzniku plazmy pri excitácii vonkajšieho elektromagnetického poľa. V plazme s doutnavým výbojom je kinetická energia elektrónov zrýchlených vonkajším elektrickým poľom zvyčajne okolo 10ev, alebo dokonca vyššia, čo stačí na zničenie chemických väzieb molekúl reaktívnych plynov. Preto prostredníctvom nepružnej kolízie vysokoenergetických elektrónov a molekúl reaktívnych plynov sa molekuly plynu ionizujú alebo rozložia za vzniku neutrálnych atómov a molekulárnych produktov. Kladné ióny sú urýchľované iónovou vrstvou urýchľujúcou elektrické pole a zrážajú sa s hornou elektródou. V blízkosti spodnej elektródy je tiež malé elektrické pole iónovej vrstvy, takže substrát je tiež do určitej miery bombardovaný iónmi. Výsledkom je, že neutrálna látka vytvorená rozkladom difunduje k stene trubice a substrátu. V procese driftu a difúzie tieto častice a skupiny (chemicky aktívne neutrálne atómy a molekuly sa nazývajú skupiny) podstúpia reakciu iónových molekúl a reakciu skupinových molekúl v dôsledku krátkej priemernej voľnej dráhy. Chemické vlastnosti chemicky aktívnych látok (hlavne skupín), ktoré sa dostávajú na substrát a sú adsorbované, sú veľmi aktívne a vzájomným pôsobením medzi nimi vzniká film.
2. Chemické reakcie v plazme
Pretože excitácia reakčného plynu v procese žeravého výboja je hlavne zrážka elektrónov, elementárne reakcie v plazme sú rôzne a interakcia medzi plazmou a pevným povrchom je tiež veľmi zložitá, čo sťažuje štúdium mechanizmu. procesu PECVD. Doteraz bolo experimentmi optimalizovaných mnoho dôležitých reakčných systémov, aby sa získali filmy s ideálnymi vlastnosťami. Pre nanášanie tenkých vrstiev na báze kremíka založených na technológii PECVD, ak je možné hlboko odhaliť mechanizmus nanášania, rýchlosť nanášania tenkých vrstiev na báze kremíka sa môže výrazne zvýšiť za predpokladu, že sa zabezpečia vynikajúce fyzikálne vlastnosti materiálov.
V súčasnosti sa vo výskume tenkých vrstiev na báze kremíka široko používa ako reakčný plyn vodíkom zriedený silán (SiH4), pretože v tenkých filmoch na báze kremíka je určité množstvo vodíka. H hrá veľmi dôležitú úlohu v tenkých filmoch na báze kremíka. Môže vyplniť visiace väzby v štruktúre materiálu, výrazne znížiť úroveň energie defektu a ľahko realizovať kontrolu valenčných elektrónov materiálov, pretože spear et al. Prvýkrát si uvedomil dopingový efekt tenkých kremíkových vrstiev a pripravil prvý PN prechod v roku, výskum prípravy a aplikácie tenkých vrstiev na báze kremíka založených na technológii PECVD bol vyvinutý míľovými krokmi. Preto bude ďalej opísaná a diskutovaná chemická reakcia v tenkých filmoch na báze kremíka uložených technológiou PECVD.
V podmienkach žeravého výboja, pretože elektróny v silánovej plazme majú viac ako niekoľko EV energie, sa H2 a SiH4 rozložia, keď sa zrazia elektrónmi, čo patrí k primárnej reakcii. Ak neberieme do úvahy prechodné excitované stavy, môžeme získať nasledujúce disociačné reakcie sihm (M = 0,1,2,3) s 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)
Podľa štandardného výrobného tepla molekúl základného stavu sú energie potrebné pre vyššie uvedené disociačné procesy (2.1) ~ (2.5) 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV a 4,5 EV. Vysokoenergetické elektróny v plazme môžu tiež podstúpiť nasledujúce ionizačné reakcie
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 potrebná pre (2.6) ~ (2.9) je 11,9, 12,3, 13,6 a 15,3 EV. V dôsledku rozdielu reakčnej energie je pravdepodobnosť (2.1) ~ (2.9) reakcií veľmi nerovnomerná. Okrem toho sihm vytvorený v reakčnom procese (2.1) ~ (2.5) podstúpi nasledujúce sekundárne reakcie na ionizáciu, ako napr.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ak sa vyššie uvedená reakcia uskutočňuje pomocou jediného elektrónového procesu, potrebná energia je približne 12 eV alebo viac. Vzhľadom na skutočnosť, že počet vysokoenergetických elektrónov nad 10ev v slabo ionizovanej plazme s elektrónovou hustotou 1010cm-3 je pri atmosférickom tlaku (10-100pa) na prípravu filmov na báze kremíka relatívne malý, pravdepodobnosť ionizácie je vo všeobecnosti menšia ako pravdepodobnosť excitácie. Preto je podiel vyššie uvedených ionizovaných zlúčenín v silánovej plazme veľmi malý a dominantná je neutrálna skupina sihm. Tento záver potvrdzujú aj výsledky analýzy hmotnostného spektra [8]. Bourquard a kol. Ďalej poukázal na to, že koncentrácia sihm klesla rádovo sih3, sih2, Si a SIH, ale koncentrácia SiH3 bola maximálne trikrát vyššia ako SIH. Robertson a kol. Uviedli, že v neutrálnych produktoch sihm sa čistý silán používal hlavne na vybíjanie s vysokým výkonom, zatiaľ čo sih3 sa používal hlavne na vybíjanie s nízkym výkonom. Poradie koncentrácie od vysokej po nízku bolo SiH3, SiH, Si, SiH2. Preto parametre plazmového procesu silne ovplyvňujú zloženie sihm neutrálnych produktov.
Okrem vyššie uvedených disociačných a ionizačných reakcií sú veľmi dôležité aj sekundárne reakcie medzi iónovými molekulami
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Preto z hľadiska koncentrácie iónov je sih3 + viac ako sih2 +. Môže vysvetliť, prečo je v plazme SiH4 viac iónov sih3 + ako iónov sih2 +.
Okrem toho dôjde ku kolíznej reakcii molekulových atómov, pri ktorej atómy vodíka v plazme zachytia vodík v SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Je to exotermická reakcia a prekurzor pre tvorbu si2h6. Samozrejme, tieto skupiny nie sú len v základnom stave, ale aj excitované do excitovaného stavu v plazme. Emisné spektrá silánovej plazmy ukazujú, že existujú opticky prípustné prechodové excitované stavy Si, SIH, h a vibračné excitované stavy SiH2, SiH3
Čas odoslania: apríl-07-2021