1. Plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirmenin ana süreçleri
Plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD), gaz halindeki maddelerin parıltılı deşarj plazması yardımıyla kimyasal reaksiyonu yoluyla ince filmlerin büyütülmesine yönelik yeni bir teknolojidir. PECVD teknolojisi gaz deşarjı ile hazırlandığı için dengede olmayan plazmanın reaksiyon özelliklerinden etkin bir şekilde yararlanılır ve reaksiyon sisteminin enerji besleme modu temelden değiştirilir. Genel olarak konuşursak, ince film hazırlamak için PECVD teknolojisi kullanıldığında, ince filmlerin büyütülmesi temel olarak aşağıdaki üç temel süreci içerir:
İlk olarak, denge dışı plazmada elektronlar, reaksiyon gazını ayrıştırmak ve iyonlardan ve aktif gruplardan oluşan bir karışım oluşturmak için birincil aşamada reaksiyon gazıyla reaksiyona girer;
İkincisi, her türlü aktif grup filmin yüzeyine ve duvarına yayılır ve taşınır ve reaktantlar arasındaki ikincil reaksiyonlar aynı anda meydana gelir;
Son olarak büyüme yüzeyine ulaşan her türlü birincil ve ikincil reaksiyon ürünü adsorbe edilir ve gaz halindeki moleküllerin yeniden salınmasıyla birlikte yüzeyle reaksiyona girer.
Spesifik olarak, akkor deşarj yöntemine dayanan PECVD teknolojisi, reaksiyon gazının, harici elektromanyetik alanın uyarılması altında plazma oluşturacak şekilde iyonize olmasını sağlayabilir. Işıltılı deşarj plazmasında, harici elektrik alanı tarafından hızlandırılan elektronların kinetik enerjisi genellikle yaklaşık 10 ev veya daha yüksektir; bu, reaktif gaz moleküllerinin kimyasal bağlarını yok etmek için yeterlidir. Bu nedenle, yüksek enerjili elektronların ve reaktif gaz moleküllerinin esnek olmayan çarpışması yoluyla gaz molekülleri, nötr atomlar ve moleküler ürünler üretmek üzere iyonlaşacak veya ayrışacaktır. Pozitif iyonlar, iyon tabakasını hızlandıran elektrik alanı tarafından hızlandırılır ve üst elektrotla çarpışır. Ayrıca alt elektrotun yakınında küçük bir iyon tabakası elektrik alanı vardır, dolayısıyla alt tabaka da bir dereceye kadar iyonlar tarafından bombalanır. Sonuç olarak, ayrışma sonucu oluşan nötr madde tüp duvarına ve alt tabakaya yayılır. Sürüklenme ve difüzyon sürecinde, bu parçacıklar ve gruplar (kimyasal olarak aktif nötr atomlar ve moleküller grup olarak adlandırılır), kısa ortalama serbest yol nedeniyle iyon molekülü reaksiyonuna ve grup molekül reaksiyonuna gireceklerdir. Substrata ulaşan ve adsorbe edilen kimyasal aktif maddelerin (çoğunlukla gruplar) kimyasal özellikleri oldukça aktiftir ve aralarındaki etkileşimle film oluşur.
2. Plazmadaki kimyasal reaksiyonlar
Işıma deşarjı sürecinde reaksiyon gazının uyarılması esas olarak elektron çarpışması olduğundan, plazmadaki temel reaksiyonlar çeşitlidir ve plazma ile katı yüzey arasındaki etkileşim de çok karmaşıktır, bu da mekanizmanın incelenmesini zorlaştırır. PECVD sürecinin. Şimdiye kadar birçok önemli reaksiyon sistemi, ideal özelliklere sahip filmler elde etmek için deneylerle optimize edilmiştir. PECVD teknolojisine dayalı silikon bazlı ince filmlerin biriktirilmesi için, biriktirme mekanizması derinlemesine ortaya çıkarılabilirse, malzemelerin mükemmel fiziksel özelliklerinin sağlanması öncülüğünde silikon bazlı ince filmlerin biriktirilme hızı büyük ölçüde artırılabilir.
Şu anda, silikon bazlı ince filmlerin araştırılmasında, silikon bazlı ince filmlerde belirli miktarda hidrojen bulunması nedeniyle reaksiyon gazı olarak hidrojenle seyreltilmiş silan (SiH4) yaygın olarak kullanılmaktadır. H, silikon bazlı ince filmlerde çok önemli bir rol oynar. Malzeme yapısındaki sarkan bağları doldurabilir, kusurlu enerji seviyesini büyük ölçüde azaltabilir ve malzemelerin değerlik elektron kontrolünü kolayca gerçekleştirebilir. Spear ve ark. Silikon ince filmlerin doping etkisinin ilk kez fark edildiği ve ilk PN ekleminin hazırlandığı PECVD teknolojisine dayalı silikon bazlı ince filmlerin hazırlanması ve uygulanmasına yönelik araştırmalar hızla geliştirilmiştir. Bu nedenle PECVD teknolojisiyle biriktirilen silikon bazlı ince filmlerdeki kimyasal reaksiyon aşağıda açıklanacak ve tartışılacaktır.
Işıma deşarjı koşulu altında, silan plazmasındaki elektronlar birkaç EV enerjisinden daha fazlasına sahip olduğundan, H2 ve SiH4, birincil reaksiyona ait olan elektronlarla çarpıştıklarında ayrışırlar. Ara uyarılmış durumları dikkate almazsak, Sihm'in (M = 0,1,2,3) H ile aşağıdaki ayrışma reaksiyonlarını elde edebiliriz.
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)
Temel durum moleküllerinin standart üretim ısısına göre, yukarıdaki ayrışma süreçleri (2.1) ~ (2.5) için gereken enerjiler sırasıyla 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ve 4.5 EV'dir. Plazmadaki yüksek enerjili elektronlar ayrıca aşağıdaki iyonlaşma reaksiyonlarına da girebilir:
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)
(2.6) ~ (2.9) için gereken enerji sırasıyla 11.9, 12.3, 13.6 ve 15.3 EV'dir. Reaksiyon enerjisi farkından dolayı (2.1) ~ (2.9) reaksiyonlarının olasılığı çok dengesizdir. Ek olarak, (2.1) ~ (2.5) reaksiyon prosesi ile oluşturulan sihm, iyonize olmak için aşağıdaki ikincil reaksiyonlara girecektir:
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Yukarıdaki reaksiyon tek elektron işlemi aracılığıyla gerçekleştirilirse gerekli enerji yaklaşık 12 eV veya daha fazladır. 1010cm-3 elektron yoğunluğuna sahip zayıf iyonize plazmada 10ev'in üzerindeki yüksek enerjili elektronların sayısının, silikon bazlı filmlerin hazırlanması için atmosferik basınç (10-100pa) altında nispeten küçük olduğu gerçeği göz önüne alındığında, kümülatif İyonlaşma olasılığı genellikle uyarılma olasılığından daha küçüktür. Bu nedenle, silan plazmasındaki yukarıdaki iyonize bileşiklerin oranı çok küçüktür ve nötr sihm grubu baskındır. Kütle spektrumu analiz sonuçları da bu sonucu doğrulamaktadır [8]. Bourquard ve ark. Ayrıca sihm konsantrasyonunun sih3, sih2, Si ve SIH sırasıyla azaldığını ancak SiH3 konsantrasyonunun SIH'ın en fazla üç katı olduğunu belirtti. Robertson ve ark. Sihm'in nötr ürünlerinde saf silanın çoğunlukla yüksek güçlü deşarj için kullanıldığı, sih3'ün ise çoğunlukla düşük güçlü deşarj için kullanıldığı bildirildi. Konsantrasyon sırası yüksekten düşüğe doğru SiH3, SiH, Si, SiH2 idi. Bu nedenle plazma proses parametreleri Sihm nötr ürünlerinin kompozisyonunu güçlü bir şekilde etkiler.
Yukarıdaki ayrışma ve iyonlaşma reaksiyonlarına ek olarak iyonik moleküller arasındaki ikincil reaksiyonlar da çok önemlidir.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Dolayısıyla iyon konsantrasyonu açısından sih3+, sih2+'dan daha fazladır. SiH4 plazmasında neden sih2 + iyonlarından daha fazla sih3 + iyonunun bulunduğunu açıklayabilir.
Ek olarak, plazmadaki hidrojen atomlarının SiH4'teki hidrojeni yakaladığı bir moleküler atom çarpışma reaksiyonu olacaktır.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Bu ekzotermik bir reaksiyondur ve si2h6 oluşumunun öncüsüdür. Elbette bu gruplar sadece temel durumda değil, aynı zamanda plazmada uyarılmış duruma da uyarılmış durumdadır. Silan plazmasının emisyon spektrumları, Si, SIH, h'nin optik olarak kabul edilebilir geçiş uyarılmış durumlarının ve SiH2, SiH3'ün titreşimle uyarılmış durumlarının bulunduğunu göstermektedir.
Gönderim zamanı: Nis-07-2021