1. العمليات الرئيسية للترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما
الترسيب الكيميائي للبخار المُحسَّن بالبلازما (PECVD) هو تقنية جديدة لنمو الأغشية الرقيقة عن طريق التفاعل الكيميائي للمواد الغازية باستخدام بلازما التفريغ المتوهج. ولأن تقنية PECVD تُحضَّر عن طريق التفريغ الغازي، تُستغل خصائص تفاعل البلازما غير المتوازنة بفعالية، ويُغيِّر نظام تزويد الطاقة في التفاعل جذريًا. وبشكل عام، عند استخدام تقنية PECVD لتحضير الأغشية الرقيقة، يشمل نمو الأغشية الرقيقة بشكل رئيسي العمليات الأساسية الثلاث التالية:
أولاً، في البلازما غير المتوازنة، تتفاعل الإلكترونات مع غاز التفاعل في المرحلة الأولية لتحلل غاز التفاعل وتكوين خليط من الأيونات والمجموعات النشطة؛
ثانياً، تنتشر جميع أنواع المجموعات النشطة وتنتقل إلى السطح وجدار الفيلم، وتحدث التفاعلات الثانوية بين المتفاعلات في نفس الوقت؛
وأخيرا، يتم امتصاص جميع أنواع منتجات التفاعل الأولية والثانوية التي تصل إلى سطح النمو وتتفاعل مع السطح، مصحوبة بإعادة إطلاق الجزيئات الغازية.
على وجه التحديد، يمكن لتقنية PECVD القائمة على طريقة التفريغ المتوهج أن تجعل غاز التفاعل يتأين لتكوين بلازما تحت إثارة المجال الكهرومغناطيسي الخارجي. في بلازما التفريغ المتوهج، تكون الطاقة الحركية للإلكترونات المتسارعة بواسطة المجال الكهربائي الخارجي عادةً حوالي 10 إلكترون فولت، أو حتى أعلى من ذلك، وهو ما يكفي لتدمير الروابط الكيميائية لجزيئات الغاز التفاعلي. لذلك، من خلال التصادم غير المرن للإلكترونات عالية الطاقة وجزيئات الغاز التفاعلي، سيتم تأين جزيئات الغاز أو تحللها لإنتاج ذرات متعادلة ومنتجات جزيئية. يتم تسريع الأيونات الموجبة بواسطة المجال الكهربائي المتسارع لطبقة الأيونات وتصطدم بالقطب العلوي. يوجد أيضًا مجال كهربائي صغير لطبقة الأيونات بالقرب من القطب السفلي، لذلك يتم قصف الركيزة أيضًا بالأيونات إلى حد ما. ونتيجة لذلك، تنتشر المادة المحايدة الناتجة عن التحلل إلى جدار الأنبوب والركيزة. في عملية الانجراف والانتشار، تخضع هذه الجسيمات والمجموعات (الذرات والجزيئات المتعادلة النشطة كيميائيًا تُسمى مجموعات) لتفاعل جزيئات الأيونات وتفاعل جزيئات المجموعات بسبب قصر متوسط المسار الحر. تكون الخصائص الكيميائية للمواد الكيميائية النشطة (وخاصةً المجموعات) التي تصل إلى الركيزة وتُمتص نشطة للغاية، ويتشكل الغشاء نتيجةً للتفاعل بينها.
2. التفاعلات الكيميائية في البلازما
لأن إثارة غاز التفاعل في عملية التفريغ المتوهج تعتمد بشكل رئيسي على تصادم الإلكترونات، فإن التفاعلات الأولية في البلازما متنوعة، كما أن التفاعل بين البلازما والسطح الصلب معقد للغاية، مما يزيد من صعوبة دراسة آلية عملية PECVD. حتى الآن، تم تحسين العديد من أنظمة التفاعل المهمة من خلال التجارب للحصول على أغشية ذات خصائص مثالية. لترسيب الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون بتقنية PECVD، إذا أمكن الكشف عن آلية الترسيب بعمق، يمكن زيادة معدل ترسيب الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون بشكل كبير، وذلك لضمان خواص فيزيائية ممتازة للمواد.
في الوقت الحاضر، في أبحاث الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون، يُستخدم السيلان المخفف بالهيدروجين (SiH4) على نطاق واسع كغاز تفاعل نظرًا لوجود كمية معينة من الهيدروجين في الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون. يلعب الهيدروجين دورًا مهمًا للغاية في الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون. يمكنه ملء الروابط المتدلية في بنية المادة، وتقليل مستوى طاقة العيب بشكل كبير، وتحقيق التحكم في إلكترون التكافؤ للمواد بسهولة. منذ أن أدرك سبير وآخرون تأثير التنشيط للأغشية الرقيقة السيليكونية وأعدوا أول وصلة PN في، تطور البحث في إعداد وتطبيق الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون القائمة على تقنية PECVD بسرعة كبيرة. لذلك، سيتم وصف التفاعل الكيميائي في الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون المترسبة بتقنية PECVD ومناقشته فيما يلي.
في ظل ظروف التفريغ المتوهج، ولأن الإلكترونات في بلازما السيلان تمتلك طاقة أكبر من عدة فولتات، فإن H2 وSiH4 سيتحللان عند اصطدامهما بالإلكترونات، وهو ما ينتمي إلى التفاعل الأولي. إذا لم نأخذ في الاعتبار الحالات المثارة الوسيطة، فيمكننا الحصول على تفاعلات تفكك Sihm التالية (M = 0،1،2،3) مع H2.
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)
وفقًا لحرارة الإنتاج القياسية لجزيئات الحالة الأرضية، فإن الطاقات اللازمة لعمليات التفكك المذكورة أعلاه (2.1) ~ (2.5) هي 2.1، 4.1، 4.4، 5.9 إلكترون فولت، و4.5 إلكترون فولت على التوالي. كما يمكن للإلكترونات عالية الطاقة في البلازما أن تخضع لتفاعلات التأين التالية:
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)
الطاقة اللازمة للتفاعلات (2.6) ~ (2.9) هي 11.9، 12.3، 13.6، و15.3 إلكترون فولت على التوالي. ونظرًا لاختلاف طاقة التفاعل، فإن احتمالية حدوث التفاعلات (2.1) ~ (2.9) غير متساوية. بالإضافة إلى ذلك، سيخضع السيهم المتكون من عملية التفاعل (2.1) ~ (2.5) للتفاعلات الثانوية التالية للتأين، مثل:
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
إذا تم إجراء التفاعل أعلاه عن طريق عملية إلكترون واحد، فإن الطاقة المطلوبة تكون حوالي 12 إلكترون فولت أو أكثر. ونظرًا لحقيقة أن عدد الإلكترونات عالية الطاقة فوق 10 إلكترون فولت في البلازما المؤينة بشكل ضعيف بكثافة إلكترونية تبلغ 1010 سم-3 صغير نسبيًا تحت الضغط الجوي (10-100 باسكال) لإعداد أغشية قائمة على السيليكون، فإن احتمال التأين التراكمي يكون عمومًا أصغر من احتمال الإثارة. وبالتالي، فإن نسبة المركبات المؤينة أعلاه في بلازما السيلان صغيرة جدًا، والمجموعة المحايدة من sihm هي المهيمنة. كما تثبت نتائج تحليل طيف الكتلة هذا الاستنتاج [8]. وأشار بوركارد وآخرون. إلى أن تركيز sihm انخفض بترتيب sih3 وsih2 وSi وSIH، ولكن تركيز SiH3 كان على الأكثر ثلاثة أضعاف تركيز SIH. روبرتسون وآخرون. أُفيدَ أنه في المنتجات المحايدة لـ sihm، استُخدم السيلان النقي بشكل رئيسي للتفريغ عالي الطاقة، بينما استُخدم sih3 بشكل رئيسي للتفريغ منخفض الطاقة. وكان ترتيب التركيز من الأعلى إلى الأدنى هو SiH3، SiH، Si، SiH2. ولذلك، تؤثر معاملات عملية البلازما بشكل كبير على تركيب منتجات sihm المحايدة.
بالإضافة إلى تفاعلات التفكك والتأين المذكورة أعلاه، فإن التفاعلات الثانوية بين الجزيئات الأيونية مهمة جدًا أيضًا
SiH2＋+SiH4←SiH3++SiH3 (2.13)
لذلك، من حيث تركيز الأيونات، فإن sih3 + أكبر من sih2 +. وهذا يفسر وجود أيونات sih3 + أكثر من أيونات sih2 + في بلازما SiH4.
بالإضافة إلى ذلك، سيكون هناك تفاعل تصادم ذري جزيئي حيث تلتقط ذرات الهيدروجين في البلازما الهيدروجين في SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
إنه تفاعل طارد للحرارة ومادة أولية لتكوين si2h6. وبالطبع، لا تقتصر هذه المجموعات على الحالة الأرضية فحسب، بل تُثار أيضًا إلى الحالة المثارة في البلازما. تُظهر أطياف انبعاث بلازما السيلان وجود حالات انتقالية مثارة مقبولة بصريًا لـ Si وSIH وh، وحالات مثارة اهتزازية لـ SiH2 وSiH3.
وقت النشر: ٧ أبريل ٢٠٢١