1. Асноўныя працэсы плазменна-інтэнсіўнага хімічнага асаджэння з паравой фазы
Плазменна-ўзмоцненае хімічнае асаджэнне з паравой фазы (PECVD) — гэта новая тэхналогія вырошчвання тонкіх плёнак шляхам хімічнай рэакцыі газападобных рэчываў з дапамогай плазмы тлеючага разраду. Паколькі тэхналогія PECVD вырабляецца з дапамогай газавага разраду, рэакцыйныя характарыстыкі нераўнаважнай плазмы эфектыўна выкарыстоўваюцца, і рэжым падачы энергіі рэакцыйнай сістэмы кардынальна змяняецца. У цэлым, калі тэхналогія PECVD выкарыстоўваецца для падрыхтоўкі тонкіх плёнак, вырошчванне тонкіх плёнак у асноўным уключае наступныя тры асноўныя працэсы.
Па-першае, у нераўнаважнай плазме электроны рэагуюць з рэакцыйным газам на першаснай стадыі, раскладаючы рэакцыйны газ і ўтвараючы сумесь іонаў і актыўных груп;
Па-другое, усе віды актыўных груп дыфузіруюць і транспартуюцца да паверхні і сценкі плёнкі, і другасныя рэакцыі паміж рэагентамі адбываюцца адначасова;
Нарэшце, усе віды першасных і другасных прадуктаў рэакцыі, якія дасягаюць паверхні росту, адсарбуюцца і рэагуюць з паверхняй, што суправаджаецца паўторным вызваленнем газападобных малекул.
У прыватнасці, тэхналогія PECVD, заснаваная на метадзе тлеючага разраду, можа прымусіць рэакцыйны газ іанізаваць яго з утварэннем плазмы пад уздзеяннем знешняга электрамагнітнага поля. У плазме тлеючага разраду кінетычная энергія электронаў, паскаральных знешнім электрычным полем, звычайна складае каля 10 эв або нават вышэй, чаго дастаткова для разбурэння хімічных сувязей малекул актыўных газаў. Такім чынам, з-за няпругкага сутыкнення высокаэнергетычных электронаў і малекул актыўных газаў малекулы газу будуць іанізаваны або раскладацца з утварэннем нейтральных атамаў і малекулярных прадуктаў. Дадатныя іоны паскараюцца паскаральным электрычным полем іонічнага пласта і сутыкаюцца з верхнім электродам. Паблізу ніжняга электрода таксама існуе невялікае электрычнае поле іонічнага пласта, таму падкладка таксама ў пэўнай ступені бамбардзіруецца іонамі. У выніку нейтральнае рэчыва, якое ўтвараецца ў выніку раскладання, дыфузіруе да сценкі трубкі і падкладкі. У працэсе дрэйфу і дыфузіі гэтыя часціцы і групы (хімічна актыўныя нейтральныя атамы і малекулы называюцца групамі) будуць падвяргацца рэакцыі іонічных малекул і рэакцыі групавых малекул з-за кароткай сярэдняй даўжыні свабоднага прабегу. Хімічныя ўласцівасці хімічных актыўных рэчываў (у асноўным груп), якія дасягаюць субстрата і адсарбуюцца, вельмі актыўныя, і плёнка ўтвараецца ў выніку ўзаемадзеяння паміж імі.
2. Хімічныя рэакцыі ў плазме
Паколькі ўзбуджэнне рэакцыйнага газу ў працэсе тлеючага разраду адбываецца ў асноўным шляхам сутыкнення электронаў, элементарныя рэакцыі ў плазме разнастайныя, а ўзаемадзеянне паміж плазмай і цвёрдай паверхняй таксама вельмі складанае, што ўскладняе вывучэнне механізму працэсу PECVD. Да гэтага часу многія важныя рэакцыйныя сістэмы былі аптымізаваны эксперыментальна для атрымання плёнак з ідэальнымі ўласцівасцямі. Пры нанясенні тонкіх плёнак на аснове крэмнію з выкарыстаннем тэхналогіі PECVD, калі механізм нанясення можа быць глыбока раскрыты, хуткасць нанясення тонкіх плёнак на аснове крэмнію можа быць значна павялічана пры ўмове забеспячэння выдатных фізічных уласцівасцей матэрыялаў.
У цяперашні час у даследаваннях тонкіх плёнак на аснове крэмнію шырока выкарыстоўваецца разведзены вадародам сілан (SiH4) у якасці рэакцыйнага газу, паколькі ў тонкіх плёнках на аснове крэмнію ёсць пэўная колькасць вадароду. H2 адыгрывае вельмі важную ролю ў тонкіх плёнках на аснове крэмнію. Ён можа запаўняць абапіраючыяся сувязі ў структуры матэрыялу, значна зніжаць узровень энергіі дэфектаў і лёгка рэалізоўваць валентны электронны кантроль матэрыялаў. З таго часу, як Спір і інш. упершыню выявілі легіруючы эфект тонкіх плёнак крэмнію і падрыхтавалі першы PN-пераход, даследаванні па падрыхтоўцы і прымяненні тонкіх плёнак на аснове крэмнію на аснове тэхналогіі PECVD развіваліся вельмі хутка. Такім чынам, хімічная рэакцыя ў тонкіх плёнках на аснове крэмнію, атрыманых з дапамогай тэхналогіі PECVD, будзе апісана і абмеркавана ніжэй.
Ва ўмовах тлеючага разраду, паколькі электроны ў плазме сілана маюць энергію больш за некалькі адзінак узбуджанага разраду, H2 і SiH4 будуць раскладацца пры сутыкненні з электронамі, што адносіцца да першаснай рэакцыі. Калі не ўлічваць прамежкавыя ўзбуджаныя станы, можна атрымаць наступныя рэакцыі дысацыяцыі siHm (M = 0,1,2,3) з H.
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)
Згодна са стандартнай цеплынёй утварэння малекул асноўнага стану, энергіі, неабходныя для вышэйзгаданых працэсаў дысацыяцыі (2.1) ~ (2.5), складаюць 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV і 4,5 EV адпаведна. Электроны высокай энергіі ў плазме таксама могуць падвяргацца наступным рэакцыям іанізацыі.
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)
Энергія, неабходная для (2.6) ~ (2.9), складае 11.9, 12.3, 13.6 і 15.3 EV адпаведна. З-за розніцы ў энергіі рэакцыі верагоднасць рэакцый (2.1) ~ (2.9) вельмі нераўнамерная. Акрамя таго, іонізацыя сіхма, якая ўтвараецца ў працэсе рэакцыі (2.1) ~ (2.5), будзе праходзіць праз наступныя другасныя рэакцыі іанізацыі, такія як
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Калі вышэйзгаданая рэакцыя праводзіцца з дапамогай аднаэлектроннага працэсу, неабходная энергія складае каля 12 эВ або больш. Улічваючы той факт, што колькасць высокаэнергетычных электронаў вышэй за 10 эв у слаба іанізаванай плазме з электроннай шчыльнасцю 1010 см-3 адносна невялікая пры атмасферным ціску (10-100 Па) для падрыхтоўкі плёнак на аснове крэмнію, сукупная верагоднасць іанізацыі звычайна меншая за верагоднасць узбуджэння. Такім чынам, доля вышэйзгаданых іанізаваных злучэнняў у плазме сілану вельмі малая, і нейтральная група sihm з'яўляецца дамінуючай. Вынікі аналізу мас-спектра таксама пацвярджаюць гэтую выснову [8]. Буркард і інш. Далей адзначалі, што канцэнтрацыя sihm змяншалася ў парадку sih3, sih2, Si і SIH, але канцэнтрацыя SiH3 была не больш чым у тры разы вышэйшай, чым у SIH. Робертсан і інш. паведамлялі, што ў нейтральных прадуктах sihm чысты сілан у асноўным выкарыстоўваўся для магутнага разраду, у той час як sih3 у асноўным выкарыстоўваўся для маламагутнага разраду. Парадак канцэнтрацыі ад высокай да нізкай быў наступным: SiH3, SiH, Si, SiH2. Такім чынам, параметры плазменнага працэсу моцна ўплываюць на склад нейтральных прадуктаў SiHm.
Акрамя вышэйзгаданых рэакцый дысацыяцыі і іанізацыі, вельмі важныя таксама другасныя рэакцыі паміж іоннымі малекуламі
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Такім чынам, з пункту гледжання канцэнтрацыі іонаў, sih3+ большы за sih2+. Гэта можа растлумачыць, чаму ў плазме SiH4 больш іонаў sih3+, чым sih2+.
Акрамя таго, адбудзецца рэакцыя сутыкнення малекулярных атамаў, у якой атамы вадароду ў плазме захопяць вадарод у SiH4.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Гэта экзатэрмічная рэакцыя і папярэднік утварэння Si2h6. Вядома, гэтыя групы знаходзяцца не толькі ў асноўным стане, але і ва ўзбуджаным стане ў плазме. Спектры выпраменьвання сіланавай плазмы паказваюць, што існуюць аптычна дапушчальныя пераходныя ўзбуджаныя станы Si, SIH, h і вагальныя ўзбуджаныя станы SiH2, SiH3.
Час публікацыі: 07 красавіка 2021 г.