1. Hoofprosesse van plasma-versterkte chemiese dampafsetting
Plasma-versterkte chemiese dampafsetting (PECVD) is 'n nuwe tegnologie vir die groei van dun films deur chemiese reaksie van gasvormige stowwe met behulp van gloei-ontladingsplasma. Omdat PECVD-tegnologie deur gasontlading voorberei word, word die reaksie-eienskappe van nie-ewewigsplasma effektief benut, en die energievoorsieningsmodus van die reaksiestelsel word fundamenteel verander. Oor die algemeen, wanneer PECVD-tegnologie gebruik word om dun films voor te berei, sluit die groei van dun films hoofsaaklik die volgende drie basiese prosesse in.
Eerstens, in die nie-ewewigsplasma, reageer elektrone met die reaksiegas in die primêre stadium om die reaksiegas te ontbind en 'n mengsel van ione en aktiewe groepe te vorm;
Tweedens, alle soorte aktiewe groepe diffundeer en vervoer na die oppervlak en die wand van die film, en die sekondêre reaksies tussen die reaktante vind gelyktydig plaas;
Laastens word alle soorte primêre en sekondêre reaksieprodukte wat die groeioppervlak bereik, geadsorbeer en reageer met die oppervlak, vergesel van die hervrystelling van gasvormige molekules.
Spesifiek, PECVD-tegnologie gebaseer op die gloei-ontladingsmetode kan die reaksiegas ioniseer om plasma te vorm onder die opwekking van 'n eksterne elektromagnetiese veld. In gloei-ontladingsplasma is die kinetiese energie van elektrone wat deur die eksterne elektriese veld versnel word, gewoonlik ongeveer 10 ev, of selfs hoër, wat genoeg is om die chemiese bindings van reaktiewe gasmolekules te vernietig. Daarom, deur die onelastiese botsing van hoë-energie elektrone en reaktiewe gasmolekules, sal die gasmolekules geïoniseerd of ontbind word om neutrale atome en molekulêre produkte te produseer. Die positiewe ione word versnel deur die ioonlaag se versnellende elektriese veld en bots met die boonste elektrode. Daar is ook 'n klein ioonlaag elektriese veld naby die onderste elektrode, sodat die substraat ook tot 'n mate deur ione gebombardeer word. Gevolglik diffundeer die neutrale stof wat deur ontbinding geproduseer word na die buiswand en substraat. In die proses van drywing en diffusie sal hierdie deeltjies en groepe (die chemies aktiewe neutrale atome en molekules word groepe genoem) ioonmolekule-reaksie en groepmolekule-reaksie ondergaan as gevolg van die kort gemiddelde vrye pad. Die chemiese eienskappe van die chemiese aktiewe stowwe (hoofsaaklik groepe) wat die substraat bereik en geadsorbeer word, is baie aktief, en die film word gevorm deur die interaksie tussen hulle.
2. Chemiese reaksies in plasma
Omdat die opwekking van die reaksiegas in die gloei-ontladingsproses hoofsaaklik elektronbotsings is, is die elementêre reaksies in die plasma uiteenlopend, en die interaksie tussen die plasma en die vaste oppervlak is ook baie kompleks, wat dit moeiliker maak om die meganisme van die PECVD-proses te bestudeer. Tot dusver is baie belangrike reaksiestelsels deur eksperimente geoptimaliseer om films met ideale eienskappe te verkry. Vir die afsetting van silikon-gebaseerde dun films gebaseer op PECVD-tegnologie, as die afsettingsmeganisme diep onthul kan word, kan die afsettingstempo van silikon-gebaseerde dun films aansienlik verhoog word op grond van die versekering van die uitstekende fisiese eienskappe van materiale.
Tans word waterstofverdunde silaan (SiH4) wyd gebruik as die reaksiegas in die navorsing van silikon-gebaseerde dun films omdat daar 'n sekere hoeveelheid waterstof in die silikon-gebaseerde dun films is. H2 speel 'n baie belangrike rol in die silikon-gebaseerde dun films. Dit kan die hangende bindings in die materiaalstruktuur vul, die defekenergievlak aansienlik verminder en die valenselektronbeheer van die materiale maklik verwesenlik. Sedert spear et al. die eerste keer die doteringseffek van silikon-dun films besef het en die eerste PN-voeg in 1936 voorberei het, het die navorsing oor die voorbereiding en toepassing van silikon-gebaseerde dun films gebaseer op PECVD-tegnologie met rasse skrede ontwikkel. Daarom sal die chemiese reaksie in silikon-gebaseerde dun films wat deur PECVD-tegnologie neergelê is, hieronder beskryf en bespreek word.
Onder die gloei-ontladingstoestand, omdat die elektrone in die silaanplasma meer as 'n paar EV-energie het, sal H2 en SiH4 ontbind wanneer hulle deur elektrone gebots word, wat tot die primêre reaksie behoort. As ons nie die intermediêre opgewekte toestande in ag neem nie, kan ons die volgende dissosiasiereaksies van sihm (M = 0,1,2,3) met H kry.
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)
Volgens die standaard produksiewarmte van grondtoestandmolekules, is die energieë wat benodig word vir die bogenoemde dissosiasieprosesse (2.1) ~ (2.5) onderskeidelik 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV en 4.5 EV. Hoë-energie-elektrone in plasma kan ook die volgende ionisasiereaksies ondergaan
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)
Die energie benodig vir (2.6) ~ (2.9) is onderskeidelik 11.9, 12.3, 13.6 en 15.3 EV. As gevolg van die verskil in reaksie-energie, is die waarskynlikheid van (2.1) ~ (2.9) reaksies baie ongelyk. Daarbenewens sal die sihm wat gevorm word met die reaksieproses (2.1) ~ (2.5) die volgende sekondêre reaksies ondergaan om te ioniseer, soos
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Indien die bogenoemde reaksie deur middel van 'n enkele elektronproses uitgevoer word, is die benodigde energie ongeveer 12 eV of meer. Aangesien die aantal hoë-energie elektrone bo 10 ev in die swak geïoniseerde plasma met elektrondigtheid van 1010 cm-3 relatief klein is onder die atmosferiese druk (10-100 pa) vir die voorbereiding van silikon-gebaseerde films, is die kumulatiewe ionisasiewaarskynlikheid oor die algemeen kleiner as die opwekkingswaarskynlikheid. Daarom is die proporsie van die bogenoemde geïoniseerde verbindings in silaanplasma baie klein, en die neutrale groep van sihm is dominant. Die massaspektrumanalise-resultate bewys ook hierdie gevolgtrekking [8]. Bourquard et al. het verder daarop gewys dat die konsentrasie van sihm afgeneem het in die orde van sih3, sih2, Si en SIH, maar die konsentrasie van SiH3 was hoogstens drie keer dié van SIH. Robertson et al. het berig dat in die neutrale produkte van sihm, suiwer silaan hoofsaaklik vir hoë-krag ontlading gebruik is, terwyl sih3 hoofsaaklik vir lae-krag ontlading gebruik is. Die volgorde van konsentrasie van hoog na laag was SiH3, SiH, Si, SiH2. Daarom beïnvloed die plasmaprosesparameters die samestelling van sihm-neutrale produkte sterk.
Benewens die bogenoemde dissosiasie- en ionisasiereaksies, is die sekondêre reaksies tussen ioniese molekules ook baie belangrik.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Daarom, in terme van ioonkonsentrasie, is sih3+ meer as sih2+. Dit kan verklaar waarom daar meer sih3+ ione as sih2+ ione in SiH4 plasma is.
Daarbenewens sal daar 'n molekulêre atoombotsingsreaksie wees waarin die waterstofatome in die plasma die waterstof in SiH4 vasvang.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Dit is 'n eksotermiese reaksie en 'n voorloper vir die vorming van si2h6. Hierdie groepe is natuurlik nie net in die grondtoestand nie, maar ook opgewek na die opgewekte toestand in die plasma. Die emissiespektra van silaanplasma toon dat daar opties toelaatbare oorgangsopgewekte toestande van Si, SIH, h, en vibrasie-opgewekte toestande van SiH2, SiH3 is.
Plasingstyd: 7 Apr 2021