เทคโนโลยีพื้นฐานของการสะสมไอสารเคมีด้วยพลาสม่า (PECVD)

1. กระบวนการหลักของพลาสมาช่วยเพิ่มการสะสมไอสารเคมี

การสะสมไอสารเคมีที่เพิ่มขึ้นด้วยพลาสมา (PECVD) เป็นเทคโนโลยีใหม่สำหรับการเจริญเติบโตของฟิล์มบางโดยปฏิกิริยาทางเคมีของสารที่เป็นก๊าซโดยใช้พลาสมาปล่อยแสง เนื่องจากเทคโนโลยี PECVD ถูกเตรียมโดยการปล่อยก๊าซ ลักษณะเฉพาะของปฏิกิริยาของพลาสมาที่ไม่สมดุลจึงถูกนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพ และโหมดการจ่ายพลังงานของระบบปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปโดยพื้นฐาน โดยทั่วไป เมื่อใช้เทคโนโลยี PECVD ในการเตรียมฟิล์มบาง การเติบโตของฟิล์มบางส่วนใหญ่จะรวมถึงกระบวนการพื้นฐานสามประการต่อไปนี้

ประการแรก ในพลาสมาที่ไม่สมดุล อิเล็กตรอนจะทำปฏิกิริยากับก๊าซปฏิกิริยาในระยะปฐมภูมิเพื่อสลายก๊าซปฏิกิริยาและก่อตัวเป็นส่วนผสมของไอออนและหมู่แอคทีฟ

ประการที่สอง กลุ่มแอคทีฟทุกชนิดจะกระจายและขนส่งไปยังพื้นผิวและผนังของฟิล์ม และปฏิกิริยารองระหว่างสารตั้งต้นจะเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน

ในที่สุด ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาปฐมภูมิและทุติยภูมิทุกชนิดที่ไปถึงพื้นผิวการเจริญเติบโตจะถูกดูดซับและทำปฏิกิริยากับพื้นผิว พร้อมกับการปล่อยโมเลกุลก๊าซอีกครั้ง

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคโนโลยี PECVD ที่ใช้วิธีการปล่อยแสงสามารถทำให้ก๊าซปฏิกิริยาแตกตัวเป็นพลาสมาภายใต้การกระตุ้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ในพลาสมาการปล่อยแสง พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าภายนอกมักจะอยู่ที่ประมาณ 10ev หรือสูงกว่านั้น ซึ่งเพียงพอที่จะทำลายพันธะเคมีของโมเลกุลก๊าซที่เกิดปฏิกิริยา ดังนั้นผ่านการชนกันอย่างไม่ยืดหยุ่นของอิเล็กตรอนพลังงานสูงและโมเลกุลก๊าซที่เกิดปฏิกิริยา โมเลกุลของก๊าซจะถูกแตกตัวเป็นไอออนหรือสลายตัวเพื่อสร้างอะตอมที่เป็นกลางและผลิตภัณฑ์โมเลกุล ไอออนบวกจะถูกเร่งด้วยชั้นไอออนที่เร่งสนามไฟฟ้าและชนกับอิเล็กโทรดด้านบน นอกจากนี้ยังมีสนามไฟฟ้าชั้นไอออนขนาดเล็กใกล้กับอิเล็กโทรดด้านล่าง ดังนั้นซับสเตรตจึงถูกไอออนโจมตีด้วยในระดับหนึ่ง เป็นผลให้สารเป็นกลางที่เกิดจากการสลายตัวแพร่กระจายไปยังผนังท่อและสารตั้งต้น ในกระบวนการดริฟท์และการแพร่กระจาย อนุภาคและกลุ่มเหล่านี้ (อะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลางที่มีฤทธิ์ทางเคมีเรียกว่าหมู่) จะได้รับปฏิกิริยาโมเลกุลไอออนและปฏิกิริยาโมเลกุลของกลุ่มเนื่องจากเส้นทางอิสระเฉลี่ยสั้น คุณสมบัติทางเคมีของสารเคมีออกฤทธิ์ (ส่วนใหญ่เป็นกลุ่ม) ที่เข้าถึงสารตั้งต้นและถูกดูดซับนั้นมีความว่องไวมากและฟิล์มก็ถูกสร้างขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างพวกมัน

2. ปฏิกิริยาเคมีในพลาสมา

เนื่องจากการกระตุ้นของก๊าซปฏิกิริยาในกระบวนการปล่อยแสงส่วนใหญ่จะเกิดการชนกันของอิเล็กตรอน ปฏิกิริยาเบื้องต้นในพลาสมาจึงมีความหลากหลาย และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลาสมากับพื้นผิวของแข็งก็ซับซ้อนมากเช่นกัน ซึ่งทำให้ยากต่อการศึกษากลไก ของกระบวนการ PECVD จนถึงขณะนี้ ระบบปฏิกิริยาที่สำคัญจำนวนมากได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมโดยการทดลองเพื่อให้ได้ฟิล์มที่มีคุณสมบัติในอุดมคติ สำหรับการสะสมของฟิล์มบางที่มีซิลิคอนซึ่งใช้เทคโนโลยี PECVD หากสามารถเปิดเผยกลไกการสะสมอย่างลึกซึ้ง อัตราการสะสมของฟิล์มบางที่มีซิลิกอนจะเพิ่มขึ้นอย่างมากบนสมมติฐานที่รับประกันคุณสมบัติทางกายภาพที่ดีเยี่ยมของวัสดุ

ในปัจจุบัน ในการวิจัยฟิล์มบางที่ใช้ซิลิกอน ไซเลนเจือจางด้วยไฮโดรเจน (SiH4) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นก๊าซปฏิกิริยา เนื่องจากมีไฮโดรเจนจำนวนหนึ่งในฟิล์มบางที่ใช้ซิลิกอน H มีบทบาทสำคัญในฟิล์มบางที่มีซิลิคอน มันสามารถเติมพันธะที่ห้อยอยู่ในโครงสร้างวัสดุ ลดระดับพลังงานข้อบกพร่องได้อย่างมาก และตระหนักถึงการควบคุมอิเล็กตรอนของวัสดุได้อย่างง่ายดายตั้งแต่หอกและคณะ ครั้งแรกที่ตระหนักถึงผลกระทบของสารต้องห้ามของฟิล์มบางซิลิคอน และเตรียมจุดเชื่อมต่อ PN แรกใน การวิจัยเกี่ยวกับการเตรียมและการใช้ฟิล์มบางที่ทำจากซิลิคอนที่ใช้เทคโนโลยี PECVD ได้รับการพัฒนาอย่างก้าวกระโดด ดังนั้น ปฏิกิริยาทางเคมีในฟิล์มบางที่มีซิลิคอนซึ่งสะสมโดยเทคโนโลยี PECVD จะมีการอธิบายและอภิปรายดังต่อไปนี้

ภายใต้สภาวะการปล่อยแสง เนื่องจากอิเล็กตรอนในพลาสมาไซเลนมีพลังงาน EV มากกว่าหลายตัว H2 และ SiH4 จะสลายตัวเมื่ออิเล็กตรอนชนกันซึ่งเป็นของปฏิกิริยาปฐมภูมิ หากเราไม่พิจารณาสภาวะตื่นเต้นขั้นกลาง เราจะได้ปฏิกิริยาการแยกตัวของ sihm (M = 0,1,2,3) กับ H ต่อไปนี้

อี+SiH4→SiH2+H2+e (2.1)

อี+SiH4→SiH3+ H+อี (2.2)

อี+SiH4→ศรี+2H2+อี (2.3)

อี+SiH4→SiH+H2+H+อี (2.4)

อี+H2→2H+อี (2.5)

ตามมาตรฐานความร้อนในการผลิตโมเลกุลสถานะพื้น พลังงานที่จำเป็นสำหรับกระบวนการแยกตัวข้างต้น (2.1) ~ (2.5) คือ 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV และ 4.5 ​​EV ตามลำดับ อิเล็กตรอนพลังงานสูงในพลาสมายังสามารถเกิดปฏิกิริยาไอออไนเซชันดังต่อไปนี้

อี+SiH4→SiH2++H2+2e (2.6)

อี+SiH4→SiH3++ H+2e (2.7)

อี+SiH4→Si++2H2+2e (2.8)

อี+SiH4→SiH++H2+H+2e (2.9)

พลังงานที่ต้องการสำหรับ (2.6) ~ (2.9) คือ 11.9, 12.3, 13.6 และ 15.3 EV ตามลำดับ เนื่องจากความแตกต่างของพลังงานปฏิกิริยา ความน่าจะเป็นของปฏิกิริยา (2.1) ~ (2.9) จึงไม่สม่ำเสมอมาก นอกจากนี้ Sihm ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการปฏิกิริยา (2.1) ~ (2.5) จะได้รับปฏิกิริยารองต่อไปนี้เพื่อให้แตกตัวเป็นไอออน เช่น

SiH+อี→SiH++2e (2.10)

SiH2+อี→SiH2++2e (2.11)

SiH3+อี→SiH3++2e (2.12)

หากปฏิกิริยาข้างต้นเกิดขึ้นโดยกระบวนการอิเล็กตรอนเดี่ยว พลังงานที่ต้องการจะอยู่ที่ประมาณ 12 eV หรือมากกว่า เมื่อพิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่าจำนวนอิเล็กตรอนพลังงานสูงที่สูงกว่า 10ev ในพลาสมาที่มีไอออนไนซ์อย่างอ่อนซึ่งมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอน 1,010 ซม.-3 นั้นค่อนข้างน้อยภายใต้ความดันบรรยากาศ (10-100pa) สำหรับการเตรียมฟิล์มที่มีซิลิคอนเป็นหลัก ผลสะสม ความน่าจะเป็นของไอออไนเซชันโดยทั่วไปจะน้อยกว่าความน่าจะเป็นในการกระตุ้น ดังนั้นสัดส่วนของสารประกอบไอออไนซ์ข้างต้นในพลาสมาไซเลนจึงมีขนาดเล็กมากและกลุ่ม sihm ที่เป็นกลางมีความโดดเด่น ผลการวิเคราะห์สเปกตรัมยังพิสูจน์ข้อสรุปนี้ด้วย [8] บอร์การ์ด และคณะ ชี้ให้เห็นเพิ่มเติมว่าความเข้มข้นของ Sihm ลดลงตามลำดับของ sih3, sih2, Si และ SIH แต่ความเข้มข้นของ SiH3 อยู่ที่ไม่เกินสามเท่าของ SIH โรเบิร์ตสัน และคณะ รายงานว่าในผลิตภัณฑ์ที่เป็นกลางของ sihm ไซเลนบริสุทธิ์ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการปล่อยพลังงานสูง ในขณะที่ sih3 ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการปล่อยพลังงานต่ำ ลำดับความเข้มข้นจากสูงไปต่ำคือ SiH3, SiH, Si, SiH2 ดังนั้นพารามิเตอร์กระบวนการพลาสมาจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ที่เป็นกลางของ Sihm

นอกเหนือจากปฏิกิริยาการแยกตัวและไอออไนเซชันข้างต้นแล้ว ปฏิกิริยาทุติยภูมิระหว่างโมเลกุลไอออนิกก็มีความสำคัญเช่นกัน

SiH2+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

ดังนั้นในแง่ของความเข้มข้นของไอออน sih3 + มากกว่า sih2 + สามารถอธิบายได้ว่าทำไมจึงมีไอออน sih3 + มากกว่าไอออน sih2 + ในพลาสมา SiH4

นอกจากนี้ก็จะมีปฏิกิริยาการชนกันของอะตอมของโมเลกุลโดยอะตอมของไฮโดรเจนในพลาสมาจะจับไฮโดรเจนใน SiH4

เอช+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนและเป็นสารตั้งต้นสำหรับการก่อตัวของ si2h6 แน่นอนว่ากลุ่มเหล่านี้ไม่เพียงแต่อยู่ในสถานะพื้นดินเท่านั้น แต่ยังรู้สึกตื่นเต้นกับสภาวะตื่นเต้นในพลาสมาอีกด้วย สเปกตรัมการปล่อยของพลาสมาไซเลนแสดงให้เห็นว่ามีสถานะการเปลี่ยนแปลงที่ยอมรับได้ของ Si, SIH, h และสถานะการสั่นสะเทือนของ SiH2, SiH3