1. Plazma ilə gücləndirilmiş kimyəvi buxar çöküntüsünün əsas prosesləri
Plazma ilə gücləndirilmiş kimyəvi buxar çöküntüsü (PECVD), parıltılı boşalma plazmasının köməyi ilə qaz halındakı maddələrin kimyəvi reaksiyası ilə nazik təbəqələrin böyüməsi üçün yeni bir texnologiyadır. PECVD texnologiyası qaz boşalması ilə hazırlandığı üçün tarazlığı olmayan plazmanın reaksiya xüsusiyyətlərindən effektiv şəkildə istifadə olunur və reaksiya sisteminin enerji təchizatı rejimi kökündən dəyişdirilir. Ümumiyyətlə, PECVD texnologiyası nazik təbəqələrin hazırlanması üçün istifadə edildikdə, nazik təbəqələrin böyüməsi əsasən aşağıdakı üç əsas prosesi əhatə edir.
Birincisi, qeyri-tarazlıq plazmasında elektronlar reaksiya qazı ilə ilkin mərhələdə reaksiyaya girərək reaksiya qazını parçalayır və ionlar və aktiv qruplar qarışığı əmələ gətirir;
İkincisi, hər növ aktiv qruplar yayılır və filmin səthinə və divarına nəql olunur və reaktivlər arasında ikinci dərəcəli reaksiyalar eyni vaxtda baş verir;
Nəhayət, böyümə səthinə çatan hər cür ilkin və ikincili reaksiya məhsulları adsorbsiya olunur və səthlə reaksiyaya girir və qaz molekullarının yenidən buraxılması ilə müşayiət olunur.
Xüsusilə, parıltı boşaltma metoduna əsaslanan PECVD texnologiyası, xarici elektromaqnit sahəsinin həyəcanlanması altında reaksiya qazının ionlaşaraq plazma əmələ gətirməsinə səbəb ola bilər. Parıltı boşaltma plazmasında, xarici elektrik sahəsi ilə sürətləndirilən elektronların kinetik enerjisi adətən təxminən 10 ev və ya daha yüksəkdir ki, bu da reaktiv qaz molekullarının kimyəvi bağlarını məhv etmək üçün kifayətdir. Buna görə də, yüksək enerjili elektronların və reaktiv qaz molekullarının qeyri-elastik toqquşması nəticəsində qaz molekulları ionlaşacaq və ya parçalanaraq neytral atomlar və molekulyar məhsullar əmələ gətirəcək. Müsbət ionlar ion təbəqəsinin sürətləndirici elektrik sahəsi ilə sürətlənir və yuxarı elektrodla toqquşur. Aşağı elektrodun yaxınlığında kiçik bir ion təbəqəsinin elektrik sahəsi də var, buna görə də substrat müəyyən dərəcədə ionlar tərəfindən bombardman edilir. Nəticədə, parçalanma nəticəsində əmələ gələn neytral maddə boru divarına və substrata yayılır. Drift və diffuziya prosesində bu hissəciklər və qruplar (kimyəvi cəhətdən aktiv neytral atomlar və molekullar qrup adlanır) qısa orta sərbəst yol səbəbindən ion molekulu reaksiyasına və qrup molekulu reaksiyasına məruz qalacaqlar. Substrata çatan və adsorbsiya olunan kimyəvi aktiv maddələrin (əsasən qrupların) kimyəvi xüsusiyyətləri çox aktivdir və təbəqə onların arasındakı qarşılıqlı təsir nəticəsində əmələ gəlir.
2. Plazmadakı kimyəvi reaksiyalar
Parıltı boşalması prosesində reaksiya qazının həyəcanlanması əsasən elektron toqquşması olduğundan, plazmadakı elementar reaksiyalar müxtəlifdir və plazma ilə bərk səth arasındakı qarşılıqlı təsir də çox mürəkkəbdir ki, bu da PECVD prosesinin mexanizmini öyrənməyi çətinləşdirir. İndiyə qədər ideal xüsusiyyətlərə malik filmlər əldə etmək üçün bir çox vacib reaksiya sistemləri təcrübələr yolu ilə optimallaşdırılmışdır. PECVD texnologiyasına əsaslanan silikon əsaslı nazik filmlərin çökməsi üçün, çökmə mexanizmi dərindən aşkar edilə bilsə, materialların əla fiziki xüsusiyyətlərini təmin etmək şərtilə silikon əsaslı nazik filmlərin çökmə sürəti xeyli artırıla bilər.
Hazırda silisium əsaslı nazik təbəqələrin tədqiqatında hidrogenlə seyreltilmiş silan (SiH4) reaksiya qazı kimi geniş istifadə olunur, çünki silisium əsaslı nazik təbəqələrdə müəyyən miqdarda hidrogen var. H2 silisium əsaslı nazik təbəqələrdə çox mühüm rol oynayır. Material strukturundakı sallanan bağları doldura, qüsur enerji səviyyəsini xeyli azalda və materialların valent elektron nəzarətini asanlıqla həyata keçirə bilər. Spear və digərləri ilk dəfə silisium nazik təbəqələrinin aşqarlama effektini aşkar etdikdən və ilk PN qovşağını hazırladıqdan bəri, PECVD texnologiyasına əsaslanan silisium əsaslı nazik təbəqələrin hazırlanması və tətbiqi üzrə tədqiqatlar sıçrayışlar və məhdudiyyətlər yolu ilə inkişaf etdirilmişdir. Buna görə də, PECVD texnologiyası ilə çökdürülmüş silisium əsaslı nazik təbəqələrdə kimyəvi reaksiya aşağıda təsvir ediləcək və müzakirə olunacaq.
Parıltı boşalması şərtində, silan plazmasındakı elektronlar birdən çox EV enerjisinə malik olduğundan, H2 və SiH4 elektronlarla toqquşduqda parçalanacaq ki, bu da birincil reaksiyaya aiddir. Aralıq həyəcanlanmış halları nəzərə almasaq, sihm-in (M = 0,1,2,3) H ilə aşağıdakı dissosiasiya reaksiyalarını əldə edə bilərik.
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)
Əsas hal molekullarının standart istehsal istiliyinə görə, yuxarıdakı dissosiasiya prosesləri (2.1) ~ (2.5) üçün tələb olunan enerjilər müvafiq olaraq 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV və 4.5 EV-dir. Plazmadakı yüksək enerjili elektronlar da aşağıdakı ionlaşma reaksiyalarına məruz qala bilər:
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) üçün tələb olunan enerji müvafiq olaraq 11.9, 12.3, 13.6 və 15.3 EV-dir. Reaksiya enerjisinin fərqinə görə, (2.1) ~ (2.9) reaksiyalarının ehtimalı çox qeyri-bərabərdir. Bundan əlavə, (2.1) ~ (2.5) reaksiya prosesi ilə əmələ gələn sihm, ionlaşmaq üçün aşağıdakı ikinci dərəcəli reaksiyalara məruz qalacaq, məsələn:
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Yuxarıdakı reaksiya tək bir elektron prosesi vasitəsilə aparılarsa, tələb olunan enerji təxminən 12 eV və ya daha çoxdur. Silikon əsaslı filmlərin hazırlanması üçün atmosfer təzyiqi (10-100pa) altında 1010 sm-3 elektron sıxlığına malik zəif ionlaşmış plazmada 10 ev-dən yuxarı yüksək enerjili elektronların sayının nisbətən az olması nəzərə alınmaqla, kümülatif ionlaşma ehtimalı ümumiyyətlə həyəcanlanma ehtimalından kiçikdir. Buna görə də, silan plazmasında yuxarıdakı ionlaşmış birləşmələrin nisbəti çox azdır və neytral sihm qrupu dominantdır. Kütlə spektr analizinin nəticələri də bu nəticəni sübut edir [8]. Bourquard və digərləri əlavə olaraq sihm konsentrasiyasının sih3, sih2, Si və SIH sırası ilə azaldığını, lakin SiH3 konsentrasiyasının SIH konsentrasiyasından ən çox üç dəfə olduğunu qeyd etdilər. Robertson və digərləri. Bildirilib ki, sihm-in neytral məhsullarında təmiz silan əsasən yüksək güclü boşalma üçün, sih3 isə əsasən aşağı güclü boşalma üçün istifadə olunur. Konsentrasiyanın yüksəkdən aşağıya doğru sırası SiH3, SiH, Si, SiH2 olub. Buna görə də, plazma prosesi parametrləri sihm neytral məhsullarının tərkibinə güclü təsir göstərir.
Yuxarıda göstərilən dissosiasiya və ionlaşma reaksiyalarına əlavə olaraq, ion molekulları arasındakı ikinci dərəcəli reaksiyalar da çox vacibdir.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Buna görə də, ion konsentrasiyası baxımından sih3+ sih2+-dən çoxdur. Bu, SiH4 plazmasında sih2+ ionlarından daha çox sih3+ ionunun olmasının səbəbini izah edə bilər.
Bundan əlavə, plazmadakı hidrogen atomlarının SiH4-dəki hidrogeni tutduğu molekulyar atom toqquşması reaksiyası baş verəcək.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Bu, ekzotermik reaksiyadır və si2h6 əmələ gəlməsi üçün bir xəbərçidir. Əlbəttə ki, bu qruplar yalnız əsas vəziyyətdə deyil, həm də plazmada həyəcanlanmış vəziyyətdədirlər. Silan plazmasının emissiya spektrləri göstərir ki, Si, SIH, h-nin optik olaraq məqbul keçid həyəcanlanmış vəziyyətləri və SiH2, SiH3-ün vibrasiya həyəcanlanmış vəziyyətləri mövcuddur.
Yazı vaxtı: 07 Aprel 2021