የፕላዝማ የተሻሻለ የኬሚካል ትነት ክምችት (PECVD) መሰረታዊ ቴክኖሎጂ

1. የፕላዝማ የተሻሻለ የኬሚካል ትነት ክምችት ዋና ዋና ሂደቶች

የፕላዝማ የተሻሻለ የኬሚካል ትነት ክምችት (PECVD) በጋዝ ንጥረ ነገሮች ኬሚካላዊ ምላሽ አማካኝነት ቀጭን ፊልሞችን ለማደግ አዲስ ቴክኖሎጂ ሲሆን ይህም በግሎት ፈሳሽ ፕላዝማ እገዛ ነው። የPECVD ቴክኖሎጂ የሚዘጋጀው በጋዝ ፈሳሽ ስለሆነ፣ የእኩልነት-አልባ ፕላዝማ የምላሽ ባህሪያት ውጤታማ በሆነ መንገድ ጥቅም ላይ ይውላሉ፣ እና የምላሽ ስርዓት የኃይል አቅርቦት ሁኔታ በመሠረቱ ይለወጣል። በአጠቃላይ ሲታይ፣ የPECVD ቴክኖሎጂ ቀጭን ፊልሞችን ለማዘጋጀት ጥቅም ላይ ሲውል፣ የቀጭን ፊልሞች እድገት በዋናነት የሚከተሉትን ሶስት መሰረታዊ ሂደቶችን ያካትታል።

በመጀመሪያ፣ ሚዛናዊ ባልሆነው ፕላዝማ ውስጥ፣ ኤሌክትሮኖች በዋናው ደረጃ ላይ ካለው የምላሽ ጋዝ ጋር ምላሽ ይሰጣሉ፣ የምላሽ ጋዙን ለመበተን እና የአዮኖችን እና ንቁ ቡድኖችን ድብልቅ ይፈጥራሉ፤

በሁለተኛ ደረጃ፣ ሁሉም አይነት ንቁ ቡድኖች ወደ ፊልሙ ወለል እና ግድግዳ ያሰራጫሉ እና ያጓጉዛሉ፣ እና በምላሽ ሰጪዎች መካከል ያለው ሁለተኛ ደረጃ ምላሽ በተመሳሳይ ጊዜ ይከሰታል።

በመጨረሻም፣ ወደ እድገት ወለል የሚደርሱ ሁሉም አይነት የመጀመሪያ እና ሁለተኛ ደረጃ ግብረመልሶች ይዋሃዳሉ እና ከላዩ ጋር ምላሽ ይሰጣሉ፣ ከዚያም የጋዝ ሞለኪውሎች እንደገና ይለቀቃሉ።

በተለይም፣ በግሎው ፈሳሽ ዘዴ ላይ የተመሠረተው የPECVD ቴክኖሎጂ የውጤት ጋዝ አዮኒዝ በውጫዊ የኤሌክትሮማግኔቲክ መስክ ማነቃቂያ ስር ፕላዝማ እንዲፈጠር ሊያደርግ ይችላል። በግሎው ፈሳሽ ፕላዝማ ውስጥ፣ በውጫዊ የኤሌክትሪክ መስክ የተጣደፉ የኤሌክትሮኖች ኪነቲክ ኃይል ብዙውን ጊዜ ወደ 10ev ወይም ከዚያ በላይ ነው፣ ይህም የሪአክቲቭ ጋዝ ሞለኪውሎችን ኬሚካላዊ ትስስር ለማጥፋት በቂ ነው። ስለዚህ፣ ከፍተኛ ኃይል ያላቸው ኤሌክትሮኖች እና ምላሽ ሰጪ የጋዝ ሞለኪውሎች ኢላስቲክ ግጭት አማካኝነት፣ የጋዝ ሞለኪውሎች ገለልተኛ አቶሞችን እና ሞለኪውላዊ ምርቶችን ለማምረት አዮኒዝድ ወይም መበስበስ ይደረግባቸዋል። አወንታዊ አዮኖች በኤሌክትሪክ መስክ በሚያፋጥነው የአዮን ንብርብር የተፋጠነ እና ከላይኛው ኤሌክትሮድ ጋር ይጋጫሉ። እንዲሁም በታችኛው ኤሌክትሮድ አቅራቢያ ትንሽ የአዮን ንብርብር የኤሌክትሪክ መስክ አለ፣ ስለዚህ ንጣፉ በተወሰነ ደረጃ በአዮኖች ይደበደባል። በዚህም ምክንያት፣ በመበስበስ የሚፈጠረው ገለልተኛ ንጥረ ነገር ወደ ቱቦው ግድግዳ እና ንጣፉ ይሰራጫል። በመንሸራተት እና በመሰራጨት ሂደት ውስጥ፣ እነዚህ ቅንጣቶች እና ቡድኖች (በኬሚካል ንቁ ገለልተኛ አቶሞች እና ሞለኪውሎች ቡድኖች ይባላሉ) በአጭር አማካይ ነፃ መንገድ ምክንያት የአዮን ሞለኪውል ምላሽ እና የቡድን ሞለኪውል ምላሽ ይደርሳሉ። የኬሚካል አክቲቭ ንጥረ ነገሮች (በዋናነት ቡድኖች) ወደ ንጣፉ የሚደርሱ እና የሚዋጡ የኬሚካል አክቲቭ ንጥረ ነገሮች ኬሚካል ባህሪያት በጣም ንቁ ናቸው፣ እና ፊልሙ የሚፈጠረው በመካከላቸው ባለው መስተጋብር ነው።

2. በፕላዝማ ውስጥ ያሉ የኬሚካል ግብረመልሶች

በብርሃን መፍሰስ ሂደት ውስጥ ያለው የምላሽ ጋዝ ማነቃቂያ በዋናነት የኤሌክትሮን ግጭት ስለሆነ፣ በፕላዝማ ውስጥ ያሉት የመጀመሪያ ደረጃ ግብረመልሶች የተለያዩ ናቸው፣ እና በፕላዝማ እና በጠጣር ወለል መካከል ያለው መስተጋብርም በጣም የተወሳሰበ ነው፣ ይህም የ PECVD ሂደትን ዘዴ ለማጥናት የበለጠ አስቸጋሪ ያደርገዋል። እስካሁን ድረስ፣ ተስማሚ ባህሪያት ያላቸውን ፊልሞች ለማግኘት ብዙ አስፈላጊ የምላሽ ስርዓቶች በሙከራዎች ተሻሽለዋል። በ PECVD ቴክኖሎጂ ላይ የተመሰረቱ በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞችን ለማስቀመጥ፣ የማስቀመጫ ዘዴው በጥልቀት ሊገለጽ የሚችል ከሆነ፣ የቁሳቁሶችን እጅግ በጣም ጥሩ አካላዊ ባህሪያት ለማረጋገጥ በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞች የማስቀመጫ መጠን በእጅጉ ሊጨምር ይችላል።

በአሁኑ ጊዜ፣ በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞች ጥናት፣ በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞች ውስጥ የተወሰነ መጠን ያለው ሃይድሮጂን ስላለው ሃይድሮጂን የተቀላቀለበት ሲላን (SiH4) እንደ ምላሽ ጋዝ በስፋት ጥቅም ላይ ይውላል ምክንያቱም በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞች ውስጥ የተወሰነ መጠን ያለው ሃይድሮጂን አለ። H በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞች ውስጥ በጣም ጠቃሚ ሚና ይጫወታል። በቁሳቁስ መዋቅር ውስጥ የተንጠለጠሉ ቦንዶችን መሙላት፣ የጉድለት ኃይል ደረጃን በእጅጉ መቀነስ እና የቁሳቁሶቹን የቫለንታይን ኤሌክትሮን ቁጥጥር በቀላሉ መገንዘብ ይችላል። ስፒር እና ሌሎችም የሲሊኮን ቀጭን ፊልሞችን የዶፒንግ ውጤት ለመጀመሪያ ጊዜ ከተገነዘቡ እና የመጀመሪያውን የPN መጋጠሚያ ካዘጋጁ በኋላ፣ በPECVD ቴክኖሎጂ ላይ በተመሰረቱ በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞች ዝግጅት እና አተገባበር ላይ የተደረገው ጥናት በመዝለል ተዘጋጅቷል። ስለዚህ፣ በPECVD ቴክኖሎጂ በተቀመጡት በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ቀጭን ፊልሞች ውስጥ ያለው የኬሚካል ምላሽ በሚከተለው ውስጥ ይብራራል እና ይብራራል።

በብርሃን መፍሰስ ሁኔታ ውስጥ፣ በሲላን ፕላዝማ ውስጥ ያሉት ኤሌክትሮኖች ከብዙ የኢቪ ኃይል በላይ ስላላቸው፣ H2 እና SiH4 በኤሌክትሮኖች ሲጋጩ ይፈርሳሉ፣ ይህም ከዋናው ምላሽ ጋር የተያያዘ ነው። መካከለኛውን የተነቃቁ ሁኔታዎችን ካላሰብን፣ የሚከተሉትን የሲህም (M = 0,1,2,3) የመከፋፈል ምላሾችን ከ H ጋር ማግኘት እንችላለን።

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)

በመሬት ሁኔታ ሞለኪውሎች የማምረት መደበኛ ሙቀት መሠረት፣ ከላይ ለተጠቀሱት የመከፋፈል ሂደቶች (2.1) ~ (2.5) የሚያስፈልጉት ኃይሎች በቅደም ተከተል 2.1፣ 4.1፣ 4.4፣ 5.9 EV እና 4.5 EV ናቸው። በፕላዝማ ውስጥ ያሉ ከፍተኛ ኃይል ያላቸው ኤሌክትሮኖችም የሚከተሉትን የአዮኒዜሽን ግብረመልሶች ሊፈጽሙ ይችላሉ።

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)

ለ (2.6) ~ (2.9) የሚያስፈልገው ኃይል በቅደም ተከተል 11.9፣ 12.3፣ 13.6 እና 15.3 EV ነው። በምላሽ ኃይል ልዩነት ምክንያት የ (2.1) ~ (2.9) ምላሾች እድል በጣም ያልተመጣጠነ ነው። በተጨማሪም፣ በምላሽ ሂደት (2.1) ~ (2.5) የተፈጠረው ሲህም የሚከተሉትን ሁለተኛ ደረጃ ምላሾች ለአዮኒዝ ያደርጋል፣ ለምሳሌ

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

ከላይ የተጠቀሰው ምላሽ በአንድ ኤሌክትሮን ሂደት የሚከናወን ከሆነ የሚፈለገው ኃይል 12 eV ወይም ከዚያ በላይ ይሆናል። በደካማ አዮኒዝድ ፕላዝማ ውስጥ ከ10ev በላይ የሆኑ ከፍተኛ ኃይል ያላቸው ኤሌክትሮኖች ብዛት በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ፊልሞችን ለማዘጋጀት በከባቢ አየር ግፊት (10-100pa) ውስጥ በአንጻራዊ ሁኔታ ሲታይ አነስተኛ በመሆኑ፣ የድምር አዮኒዝሽን ፕሮባቢሊቲ በአጠቃላይ ከማነቃቂያ ፕሮባቢሊቲ ያነሰ ነው። ስለዚህ፣ በሲላን ፕላዝማ ውስጥ ያሉት ከላይ የተጠቀሱት አዮኒዝድ ውህዶች መጠን በጣም ትንሽ ነው፣ እና ገለልተኛ የሲህም ቡድን የበላይ ነው። የጅምላ ስፔክትረም ትንተና ውጤቶችም ይህንን መደምደሚያ ያረጋግጣሉ [8]። ቡርኳርድ እና ሌሎችም በተጨማሪም የሲህም ክምችት በሲኤች3፣ ሲኤች2፣ ሲኤች እና SIH ቅደም ተከተል እንደቀነሰ ጠቁመዋል፣ ነገር ግን የSiH3 ክምችት ቢበዛ ከSIH በሦስት እጥፍ እንደሚበልጥ ጠቁመዋል። ሮበርትሰን እና ሌሎችም በሲህም ገለልተኛ ምርቶች ውስጥ፣ ንጹህ ሲላን በዋናነት ለከፍተኛ ኃይል ፈሳሽ ጥቅም ላይ እንደሚውል፣ ሲኤች3 ደግሞ በዋናነት ለዝቅተኛ ኃይል ፈሳሽ ጥቅም ላይ እንደሚውል ዘግበዋል። ከከፍተኛ ወደ ዝቅተኛ ያለው የትኩረት ቅደም ተከተል SiH3፣ SiH፣ SiH2 ነበር። ስለዚህ የፕላዝማ ሂደት መለኪያዎች የሲህም ገለልተኛ ምርቶችን ስብጥር በእጅጉ ይነካሉ።

ከላይ ከተጠቀሱት የመከፋፈል እና የአዮኒዜሽን ግብረመልሶች በተጨማሪ፣ በአዮኒዝ ሞለኪውሎች መካከል ያሉት ሁለተኛ ደረጃ ግብረመልሶችም በጣም አስፈላጊ ናቸው።

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

ስለዚህ፣ በአዮን ክምችት ረገድ፣ sih3 + ከ sih2 + በላይ ነው። በ SiH4 ፕላዝማ ውስጥ ከ sih2 + አየኖች የበለጠ sih3 + አየኖች ለምን እንዳሉ ሊያብራራ ይችላል።

በተጨማሪም፣ በፕላዝማ ውስጥ ያሉት የሃይድሮጂን አቶሞች በSiH4 ውስጥ ሃይድሮጂንን የሚይዙበት የሞለኪውላር አቶም ግጭት ምላሽ ይኖራል

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

የ si2h6 መፈጠር ውጫዊ የሙቀት ምላሽ እና ቅድመ ሁኔታ ነው። እርግጥ ነው፣ እነዚህ ቡድኖች በመሬት ሁኔታ ውስጥ ብቻ ሳይሆን በፕላዝማ ውስጥ ባለው አስደሳች ሁኔታም ይደሰታሉ። የሲላን ፕላዝማ የልቀት ስፔክትራ በጨረር ተቀባይነት ያላቸው የሽግግር ንዝረት ሁኔታዎች Si፣ SIH፣ h እና የSiH2፣ SiH3 ንዝረት የተሞላባቸው ሁኔታዎች እንዳሉ ያሳያል።