التقنية الأساسية لترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD)

1. العمليات الرئيسية لترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما

يُعدّ الترسيب الكيميائي للبخار المُعزز بالبلازما (PECVD) تقنية حديثة لنمو الأغشية الرقيقة عن طريق التفاعل الكيميائي للمواد الغازية باستخدام بلازما التفريغ المتوهج. ولأن تقنية PECVD تعتمد على التفريغ الغازي، فإنها تستغل خصائص تفاعل البلازما غير المتوازنة بكفاءة، مما يُحدث تغييرًا جذريًا في نمط إمداد الطاقة لنظام التفاعل. وبشكل عام، عند استخدام تقنية PECVD لتحضير الأغشية الرقيقة، فإن نمو هذه الأغشية يشمل العمليات الأساسية الثلاث التالية.

أولاً، في البلازما غير المتوازنة، تتفاعل الإلكترونات مع غاز التفاعل في المرحلة الأولية لتفكيك غاز التفاعل وتكوين خليط من الأيونات والمجموعات النشطة؛

ثانياً، تنتشر جميع أنواع المجموعات النشطة وتنتقل إلى سطح وجدار الغشاء، وتحدث التفاعلات الثانوية بين المواد المتفاعلة في نفس الوقت؛

وأخيرًا، يتم امتصاص جميع أنواع نواتج التفاعل الأولية والثانوية التي تصل إلى سطح النمو وتتفاعل مع السطح، مصحوبة بإعادة إطلاق الجزيئات الغازية.

على وجه التحديد، تُتيح تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المُعزز بالبلازما (PECVD) القائمة على طريقة التفريغ المتوهج تأيين غاز التفاعل لتكوين بلازما تحت تأثير مجال كهرومغناطيسي خارجي. في بلازما التفريغ المتوهج، تبلغ الطاقة الحركية للإلكترونات المُسرّعة بواسطة المجال الكهربائي الخارجي عادةً حوالي 10 إلكترون فولت، أو حتى أعلى، وهي طاقة كافية لتدمير الروابط الكيميائية لجزيئات الغاز المتفاعل. لذلك، ومن خلال التصادم غير المرن بين الإلكترونات عالية الطاقة وجزيئات الغاز المتفاعل، تتأين جزيئات الغاز أو تتحلل لإنتاج ذرات متعادلة ومركبات جزيئية. تتسارع الأيونات الموجبة بفعل المجال الكهربائي المُسرّع لطبقة الأيونات وتصطدم بالقطب العلوي. كما يوجد مجال كهربائي صغير لطبقة الأيونات بالقرب من القطب السفلي، مما يؤدي إلى قصف الركيزة بالأيونات إلى حد ما. ونتيجة لذلك، تنتشر المادة المتعادلة الناتجة عن التحلل إلى جدار الأنبوب والركيزة. أثناء عملية الانجراف والانتشار، تخضع هذه الجسيمات والمجموعات (تُسمى الذرات والجزيئات المتعادلة النشطة كيميائيًا بالمجموعات) لتفاعلات أيونية جزيئية وتفاعلات بين المجموعات والجزيئات نظرًا لقصر متوسط ​​المسار الحر. وتكون الخصائص الكيميائية للمواد النشطة كيميائيًا (وخاصة المجموعات) التي تصل إلى الركيزة وتُمتص نشطة للغاية، ويتشكل الغشاء نتيجة التفاعل بينها.

2. التفاعلات الكيميائية في البلازما

نظرًا لأن إثارة غاز التفاعل في عملية التفريغ المتوهج تعتمد بشكل أساسي 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 الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما (PECVD). حتى الآن، تم تحسين العديد من أنظمة التفاعل المهمة تجريبيًا للحصول على أغشية ذات خصائص مثالية. بالنسبة لترسيب الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون باستخدام تقنية PECVD، إذا أمكن الكشف بدقة عن آلية الترسيب، فسيمكن زيادة معدل ترسيب هذه الأغشية بشكل كبير مع ضمان الحفاظ على الخصائص الفيزيائية الممتازة للمواد.

في الوقت الراهن، يُستخدم غاز السيلان المخفف بالهيدروجين (SiH4) على نطاق واسع كغاز تفاعل في أبحاث الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون، وذلك لوجود كمية معينة من الهيدروجين في هذه الأغشية. يلعب الهيدروجين دورًا بالغ الأهمية في هذه الأغشية، حيث يُسهم في ملء الروابط غير المشبعة في بنية المادة، مما يُقلل بشكل كبير من مستوى طاقة العيوب، ويُسهل التحكم في إلكترونات التكافؤ. منذ أن اكتشف سبير وزملاؤه لأول مرة تأثير التطعيم في أغشية السيليكون الرقيقة، وقاموا بتحضير أول وصلة PN، شهدت الأبحاث المتعلقة بتحضير وتطبيق أغشية السيليكون الرقيقة باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما (PECVD) تطورًا هائلًا. لذلك، سيتم فيما يلي وصف ومناقشة التفاعل الكيميائي في أغشية السيليكون الرقيقة المُرسبة بتقنية PECVD.

في ظل ظروف التفريغ المتوهج، ونظرًا لأن الإلكترونات في بلازما السيلان تمتلك طاقة تتجاوز عدة إلكترون فولت، فإن جزيئات الهيدروجين (H2) ورباعي سيلان (SiH4) تتفكك عند اصطدامها بالإلكترونات، وهذا يُعد تفاعلًا أوليًا. وإذا لم نأخذ في الاعتبار الحالات المثارة الوسيطة، فيمكننا الحصول على تفاعلات التفكك التالية لجزيئات السيلان (SiH4) (حيث M = 0، 1، 2، 3) مع الهيدروجين (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 للحرارة القياسية لإنتاج جزيئات 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 من (2.6) إلى (2.9) هي 11.9، 12.3، 13.6، و15.3 إلكترون فولت على التوالي. ونظرًا لاختلاف طاقة التفاعل، فإن احتمالية حدوث التفاعلات من (2.1) إلى (2.9) غير متساوية. إضافةً إلى ذلك، فإن جسيمات السيهم المتكونة من التفاعلات من (2.1) إلى (2.5) ستخضع لتفاعلات ثانوية لتتأين، مثل:

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

إذا تم تنفيذ التفاعل المذكور أعلاه بواسطة عملية إلكترون واحد، فإن الطاقة المطلوبة تبلغ حوالي 12 إلكترون فولت أو أكثر. ونظرًا لأن عدد الإلكترونات عالية الطاقة التي تزيد عن 10 إلكترون فولت في البلازما ضعيفة التأين ذات كثافة إلكترونية تبلغ 10¹⁰ سم⁻³ يكون صغيرًا نسبيًا تحت الضغط الجوي (10-100 باسكال) لتحضير الأغشية القائمة على السيليكون، فإن احتمال التأين التراكمي يكون عمومًا أقل من احتمال الإثارة. لذلك، فإن نسبة المركبات المتأينة المذكورة أعلاه في بلازما السيلان ضئيلة جدًا، وتسود المجموعة المتعادلة من سيهيم. وتؤكد نتائج تحليل طيف الكتلة هذه النتيجة أيضًا [8]. وأشار بوركارد وآخرون كذلك إلى أن تركيز سيهيم انخفض بالترتيب التالي: سيه3، سيه2، Si، وSIH، ولكن تركيز SiH3 كان على الأكثر ثلاثة أضعاف تركيز SIH. أُفيد بأن السيلان النقي يُستخدم بشكل أساسي في نواتج التفريغ المحايد لتقنية SiHM، وذلك في التفريغ عالي الطاقة، بينما يُستخدم SiH3 بشكل أساسي في التفريغ منخفض الطاقة. وكان ترتيب التركيز من الأعلى إلى الأدنى كالتالي: SiH3، SiH، Si، SiH2. لذا، تؤثر معايير عملية البلازما بشكل كبير على تركيب نواتج التفريغ المحايد لتقنية SiHM.

بالإضافة إلى تفاعلات التفكك والتأين المذكورة أعلاه، فإن التفاعلات الثانوية بين الجزيئات الأيونية لها أهمية بالغة أيضاً.

SiH2＋+SiH4←SiH3++SiH3 (2.13)

لذلك، من حيث تركيز الأيونات، فإن تركيز أيونات sih3+ أعلى من تركيز أيونات sih2+. وهذا يفسر سبب وجود أيونات sih3+ أكثر من أيونات sih2+ في بلازما SiH4.

بالإضافة إلى ذلك، سيحدث تفاعل تصادم ذري جزيئي حيث تقوم ذرات الهيدروجين في البلازما بالتقاط الهيدروجين الموجود في SiH4

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

هو تفاعل طارد للحرارة ومقدمة لتكوين Si2H6. وبطبيعة الحال، 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 اهتزازية مثارة لـ SiH2 وSiH3.