1. Huvudprocesser för plasmaförstärkt kemisk ångavsättning
Plasmaförstärkt kemisk ångdeposition (PECVD) är en ny teknik för tillväxt av tunna filmer genom kemisk reaktion av gasformiga ämnen med hjälp av glödurladdningsplasma. Eftersom PECVD-teknologin framställs genom gasurladdning, utnyttjas reaktionsegenskaperna hos plasma som inte är i jämvikt effektivt, och reaktionssystemets energitillförselläge förändras i grunden. Generellt sett, när PECVD-teknik används för att framställa tunna filmer, inkluderar tillväxten av tunna filmer huvudsakligen följande tre grundläggande processer
För det första, i icke-jämviktsplasman, reagerar elektroner med reaktionsgasen i det primära steget för att sönderdela reaktionsgasen och bilda en blandning av joner och aktiva grupper;
För det andra diffunderar alla typer av aktiva grupper och transporteras till ytan och filmens vägg, och de sekundära reaktionerna mellan reaktanterna sker samtidigt;
Slutligen adsorberas alla typer av primära och sekundära reaktionsprodukter som når tillväxtytan och reagerar med ytan, åtföljd av återutlösning av gasformiga molekyler.
Specifikt kan PECVD-teknik baserad på en glödurladdningsmetod få reaktionsgasen att joniseras för att bilda plasma under excitation av externt elektromagnetiskt fält. I glödurladdningsplasma är den kinetiska energin hos elektroner som accelereras av externt elektriskt fält vanligtvis cirka 10ev, eller till och med högre, vilket är tillräckligt för att förstöra de kemiska bindningarna hos reaktiva gasmolekyler. Därför, genom den oelastiska kollisionen av högenergielektroner och reaktiva gasmolekyler, kommer gasmolekylerna att joniseras eller sönderdelas för att producera neutrala atomer och molekylära produkter. De positiva jonerna accelereras av att jonskiktet accelererar det elektriska fältet och kolliderar med den övre elektroden. Det finns också ett litet jonskikts elektriskt fält nära den nedre elektroden, så substratet bombarderas också av joner i viss utsträckning. Som ett resultat diffunderar det neutrala ämne som bildas genom nedbrytning till rörväggen och substratet. I processen med drift och diffusion kommer dessa partiklar och grupper (de kemiskt aktiva neutrala atomerna och molekylerna kallas grupper) att genomgå jonmolekylreaktion och gruppmolekylreaktion på grund av den korta genomsnittliga fria vägen. De kemiska egenskaperna hos de kemiskt aktiva ämnen (främst grupper) som når substratet och adsorberas är mycket aktiva, och filmen bildas genom interaktionen mellan dem.
2. Kemiska reaktioner i plasma
Eftersom excitationen av reaktionsgasen i glödurladdningsprocessen huvudsakligen är elektronkollision, är de elementära reaktionerna i plasmat olika, och interaktionen mellan plasman och den fasta ytan är också mycket komplex, vilket gör det svårare att studera mekanismen. av PECVD-processen. Hittills har många viktiga reaktionssystem optimerats genom experiment för att erhålla filmer med idealiska egenskaper. För avsättning av kiselbaserade tunna filmer baserade på PECVD-teknik, om avsättningsmekanismen kan avslöjas djupt, kan avsättningshastigheten för kiselbaserade tunna filmer ökas avsevärt under förutsättningen att man säkerställer de utmärkta fysikaliska egenskaperna hos material.
För närvarande, i forskningen av kiselbaserade tunna filmer, används väteutspädd silan (SiH4) i stor utsträckning som reaktionsgas eftersom det finns en viss mängd väte i de kiselbaserade tunna filmerna. H spelar en mycket viktig roll i de kiselbaserade tunna filmerna. Det kan fylla de hängande bindningarna i materialstrukturen, kraftigt minska defektenerginivån och enkelt realisera valenselektronkontrollen av materialen. Sedan spear et al. Först insåg dopningseffekten av tunna kiselfilmer och förberedde den första PN-övergången i, forskningen om beredning och tillämpning av kiselbaserade tunna filmer baserade på PECVD-teknik har utvecklats med stormsteg. Därför kommer den kemiska reaktionen i kiselbaserade tunna filmer avsatta med PECVD-teknologi att beskrivas och diskuteras i det följande.
Under glödurladdningstillståndet, eftersom elektronerna i silanplasman har mer än flera EV-energi, kommer H2 och SiH4 att sönderdelas när de kolliderar med elektroner, som hör till den primära reaktionen. Om vi inte tar hänsyn till de mellanliggande exciterade tillstånden, kan vi få följande dissociationsreaktioner 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)
Enligt standardproduktionsvärmet för grundtillståndsmolekyler är energierna som krävs för ovanstående dissociationsprocesser (2.1) ~ (2.5) 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV respektive 4.5 EV. Högenergielektroner i plasma kan också genomgå följande joniseringsreaktioner
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)
Energin som krävs för (2,6) ~ (2,9) är 11,9, 12,3, 13,6 respektive 15,3 EV. På grund av skillnaden i reaktionsenergi är sannolikheten för (2,1) ~ (2,9) reaktioner mycket ojämn. Dessutom kommer sihmen som bildas med reaktionsprocessen (2.1) ~ (2.5) att genomgå följande sekundära reaktioner för att jonisera, som t.ex.
SiH+e→SiH++2e (2,10)
SiH2+e→SiH2++2e (2,11)
SiH3+e→SiH3++2e (2,12)
Om ovanstående reaktion utförs med hjälp av en enda elektronprocess är den energi som krävs ca 12 eV eller mer. Med tanke på det faktum att antalet högenergielektroner över 10ev i den svagt joniserade plasman med elektrontäthet på 1010cm-3 är relativt litet under atmosfärstrycket (10-100pa) för framställning av kiselbaserade filmer, den kumulativa joniseringssannolikheten är i allmänhet mindre än excitationssannolikheten. Därför är andelen av ovanstående joniserade föreningar i silanplasma mycket liten, och den neutrala gruppen av sihm är dominerande. Massspektrumanalysresultaten bevisar också denna slutsats [8]. Bourquard et al. Påpekade vidare att koncentrationen av sihm minskade i storleksordningen sih3, sih2, Si och SIH, men koncentrationen av SiH3 var högst tre gånger den för SIH. Robertson et al. Rapporterade att i de neutrala produkterna av sihm användes ren silan främst för högeffektsurladdning, medan sih3 huvudsakligen användes för lågeffekturladdning. Koncentrationsordningen från hög till låg var SiH3, SiH, Si, SiH2. Därför påverkar plasmaprocessparametrarna starkt sammansättningen av sihm-neutrala produkter.
Förutom ovanstående dissociations- och joniseringsreaktioner är de sekundära reaktionerna mellan joniska molekyler också mycket viktiga
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Därför, när det gäller jonkoncentration, är sih3 + mer än sih2 +. Det kan förklara varför det finns fler sih3+-joner än sih2+-joner i SiH4-plasma.
Dessutom kommer det att ske en molekylär atomkollisionsreaktion där väteatomerna i plasman fångar upp vätet i SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Det är en exoterm reaktion och en prekursor för bildandet av si2h6. Naturligtvis är dessa grupper inte bara i grundtillståndet, utan också exciterade till det exciterade tillståndet i plasman. Emissionsspektra för silanplasma visar att det finns optiskt tillåtna övergångsexciterade tillstånd av Si, SIH, h och vibrationsexciterade tillstånd av SiH2, SiH3
Posttid: 2021-07-07