প্লাজমা বর্ধিত রাসায়নিক বাষ্প জমার (PECVD) মৌলিক প্রযুক্তি

১. প্লাজমা বর্ধিত রাসায়নিক বাষ্প জমার প্রধান প্রক্রিয়া

প্লাজমা বর্ধিত রাসায়নিক বাষ্প জমা (PECVD) হল গ্লো ডিসচার্জ প্লাজমার সাহায্যে গ্যাসীয় পদার্থের রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে পাতলা ফিল্মের বৃদ্ধির জন্য একটি নতুন প্রযুক্তি। যেহেতু PECVD প্রযুক্তি গ্যাস ডিসচার্জের মাধ্যমে প্রস্তুত করা হয়, তাই ভারসাম্যহীন প্লাজমার বিক্রিয়া বৈশিষ্ট্যগুলি কার্যকরভাবে ব্যবহার করা হয় এবং বিক্রিয়া ব্যবস্থার শক্তি সরবরাহ মোড মৌলিকভাবে পরিবর্তিত হয়। সাধারণভাবে বলতে গেলে, যখন PECVD প্রযুক্তি পাতলা ফিল্ম তৈরির জন্য ব্যবহার করা হয়, তখন পাতলা ফিল্মের বৃদ্ধিতে প্রধানত নিম্নলিখিত তিনটি মৌলিক প্রক্রিয়া অন্তর্ভুক্ত থাকে।

প্রথমত, ভারসাম্যহীন প্লাজমাতে, প্রাথমিক পর্যায়ে ইলেকট্রনগুলি বিক্রিয়া গ্যাসের সাথে বিক্রিয়া করে বিক্রিয়া গ্যাসকে পচিয়ে আয়ন এবং সক্রিয় গোষ্ঠীর মিশ্রণ তৈরি করে;

দ্বিতীয়ত, সকল ধরণের সক্রিয় গোষ্ঠী ফিল্মের পৃষ্ঠ এবং প্রাচীরে ছড়িয়ে পড়ে এবং পরিবহন করে এবং বিক্রিয়কগুলির মধ্যে গৌণ বিক্রিয়া একই সময়ে ঘটে;

অবশেষে, বৃদ্ধি পৃষ্ঠে পৌঁছানো সকল ধরণের প্রাথমিক এবং গৌণ বিক্রিয়া পণ্যগুলি শোষিত হয় এবং পৃষ্ঠের সাথে বিক্রিয়া করে, যার সাথে গ্যাসীয় অণুগুলির পুনঃমুক্তি ঘটে।

বিশেষ করে, গ্লো ডিসচার্জ পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে PECVD প্রযুক্তি বহিরাগত তড়িৎ চৌম্বক ক্ষেত্রের উত্তেজনায় বিক্রিয়া গ্যাসকে আয়নাইজ করে প্লাজমা তৈরি করতে পারে। গ্লো ডিসচার্জ প্লাজমাতে, বহিরাগত তড়িৎ ক্ষেত্র দ্বারা ত্বরান্বিত ইলেকট্রনের গতিশক্তি সাধারণত প্রায় 10ev বা তারও বেশি হয়, যা প্রতিক্রিয়াশীল গ্যাস অণুর রাসায়নিক বন্ধন ধ্বংস করার জন্য যথেষ্ট। অতএব, উচ্চ-শক্তি ইলেকট্রন এবং প্রতিক্রিয়াশীল গ্যাস অণুর স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষের মাধ্যমে, গ্যাস অণুগুলিকে আয়নিত বা পচন করা হবে নিরপেক্ষ পরমাণু এবং আণবিক পণ্য তৈরি করতে। ধনাত্মক আয়নগুলি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রকে ত্বরান্বিতকারী আয়ন স্তর দ্বারা ত্বরান্বিত হয় এবং উপরের ইলেক্ট্রোডের সাথে সংঘর্ষ হয়। নিম্ন ইলেক্ট্রোডের কাছে একটি ছোট আয়ন স্তর বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রও রয়েছে, তাই সাবস্ট্রেটটিও কিছুটা পরিমাণে আয়ন দ্বারা বোমাবর্ষণ করা হয়। ফলস্বরূপ, পচন দ্বারা উৎপাদিত নিরপেক্ষ পদার্থ টিউব প্রাচীর এবং সাবস্ট্রেটে ছড়িয়ে পড়ে। প্রবাহ এবং বিস্তারের প্রক্রিয়ায়, এই কণা এবং গোষ্ঠীগুলি (রাসায়নিকভাবে সক্রিয় নিরপেক্ষ পরমাণু এবং অণুগুলিকে গোষ্ঠী বলা হয়) সংক্ষিপ্ত গড় মুক্ত পথের কারণে আয়ন অণু বিক্রিয়া এবং গোষ্ঠী অণু বিক্রিয়ায় ভোগ করবে। যেসব রাসায়নিক সক্রিয় পদার্থ (প্রধানত গোষ্ঠী) সাবস্ট্রেটে পৌঁছায় এবং শোষিত হয়, তাদের রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য খুবই সক্রিয়, এবং তাদের মধ্যে মিথস্ক্রিয়ার মাধ্যমে ফিল্ম তৈরি হয়।

2. প্লাজমাতে রাসায়নিক বিক্রিয়া

যেহেতু গ্লো ডিসচার্জ প্রক্রিয়ায় বিক্রিয়া গ্যাসের উত্তেজনা মূলত ইলেকট্রনের সংঘর্ষের ফলে ঘটে, তাই প্লাজমাতে প্রাথমিক বিক্রিয়াগুলি বিভিন্ন ধরণের হয় এবং প্লাজমা এবং কঠিন পৃষ্ঠের মধ্যে মিথস্ক্রিয়াও অত্যন্ত জটিল, যা PECVD প্রক্রিয়ার প্রক্রিয়া অধ্যয়ন করা আরও কঠিন করে তোলে। এখন পর্যন্ত, আদর্শ বৈশিষ্ট্যযুক্ত ফিল্মগুলি পাওয়ার জন্য অনেক গুরুত্বপূর্ণ বিক্রিয়া ব্যবস্থা পরীক্ষা-নিরীক্ষার মাধ্যমে অপ্টিমাইজ করা হয়েছে। PECVD প্রযুক্তির উপর ভিত্তি করে সিলিকন-ভিত্তিক পাতলা ফিল্ম জমা করার জন্য, যদি জমা করার প্রক্রিয়াটি গভীরভাবে প্রকাশ করা যায়, তাহলে উপকরণগুলির চমৎকার ভৌত বৈশিষ্ট্য নিশ্চিত করার ভিত্তিতে সিলিকন-ভিত্তিক পাতলা ফিল্ম জমা করার হার ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি করা যেতে পারে।

বর্তমানে, সিলিকন-ভিত্তিক পাতলা ফিল্মের গবেষণায়, হাইড্রোজেন মিশ্রিত সিলেন (SiH4) বিক্রিয়া গ্যাস হিসেবে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় কারণ সিলিকন-ভিত্তিক পাতলা ফিল্মে নির্দিষ্ট পরিমাণে হাইড্রোজেন থাকে। সিলিকন-ভিত্তিক পাতলা ফিল্মে H অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। এটি উপাদান কাঠামোর ঝুলন্ত বন্ধন পূরণ করতে পারে, ত্রুটিপূর্ণ শক্তির স্তরকে ব্যাপকভাবে হ্রাস করতে পারে এবং উপকরণের ভ্যালেন্স ইলেকট্রন নিয়ন্ত্রণ সহজেই উপলব্ধি করতে পারে। যেহেতু স্পিয়ার এবং অন্যান্যরা প্রথম সিলিকন পাতলা ফিল্মের ডোপিং প্রভাব উপলব্ধি করেছিলেন এবং প্রথম PN জংশন তৈরি করেছিলেন, তাই PECVD প্রযুক্তির উপর ভিত্তি করে সিলিকন-ভিত্তিক পাতলা ফিল্ম তৈরি এবং প্রয়োগের উপর গবেষণা দ্রুতগতিতে বিকশিত হয়েছে। অতএব, PECVD প্রযুক্তি দ্বারা জমা হওয়া সিলিকন-ভিত্তিক পাতলা ফিল্মে রাসায়নিক বিক্রিয়া নিম্নলিখিত বর্ণনা এবং আলোচনা করা হবে।

গ্লো ডিসচার্জ অবস্থায়, যেহেতু সাইলেন প্লাজমাতে ইলেকট্রনগুলিতে একাধিক EV শক্তি থাকে, তাই H2 এবং SiH4 ইলেকট্রনগুলির সাথে সংঘর্ষের সময় পচে যাবে, যা প্রাথমিক বিক্রিয়ার অন্তর্গত। যদি আমরা মধ্যবর্তী উত্তেজিত অবস্থা বিবেচনা না করি, তাহলে আমরা H এর সাথে sihm (M = 0,1,2,3) এর নিম্নলিখিত বিয়োজন বিক্রিয়া পেতে পারি।

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)

স্থল অবস্থা অণুর উৎপাদনের আদর্শ তাপ অনুসারে, উপরোক্ত বিয়োজন প্রক্রিয়াগুলির জন্য প্রয়োজনীয় শক্তি (2.1) ~ (2.5) যথাক্রমে 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV এবং 4.5 EV। প্লাজমাতে উচ্চ শক্তির ইলেকট্রনগুলি নিম্নলিখিত আয়নীকরণ বিক্রিয়াগুলির মধ্য দিয়েও যেতে পারে

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) এর জন্য প্রয়োজনীয় শক্তি যথাক্রমে 11.9, 12.3, 13.6 এবং 15.3 EV। বিক্রিয়ার শক্তির পার্থক্যের কারণে, (2.1) ~ (2.9) বিক্রিয়ার সম্ভাবনা খুবই অসম। এছাড়াও, বিক্রিয়ার প্রক্রিয়া (2.1) ~ (2.5) এর সাথে গঠিত সিহম আয়নীকরণের জন্য নিম্নলিখিত গৌণ বিক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যাবে, যেমন

SiH+e→SiH+2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

যদি উপরের বিক্রিয়াটি একটি একক ইলেকট্রন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে সম্পন্ন করা হয়, তাহলে প্রয়োজনীয় শক্তি প্রায় 12 eV বা তার বেশি হবে। সিলিকন-ভিত্তিক ফিল্ম তৈরির জন্য বায়ুমণ্ডলীয় চাপের (10-100pa) অধীনে 10ev-এর উপরে উচ্চ-শক্তি ইলেকট্রনের সংখ্যা 1010cm-3 এর দুর্বল আয়নযুক্ত প্লাজমাতে তুলনামূলকভাবে কম হওয়ার কারণে, ক্রমবর্ধমান আয়নীকরণ সম্ভাবনা সাধারণত উত্তেজনা সম্ভাব্যতার চেয়ে কম। অতএব, সাইলেন প্লাজমাতে উপরের আয়নযুক্ত যৌগগুলির অনুপাত খুব ছোট, এবং sihm-এর নিরপেক্ষ গ্রুপ প্রাধান্য পায়। ভর বর্ণালী বিশ্লেষণের ফলাফলও এই সিদ্ধান্তকে প্রমাণ করে [8]। Bourquard et al. আরও উল্লেখ করেছেন যে sihm-এর ঘনত্ব sih3, sih2, Si এবং SIH-এর ক্রমানুসারে হ্রাস পেয়েছে, তবে SiH3-এর ঘনত্ব SIH-এর চেয়ে সর্বাধিক তিনগুণ বেশি ছিল। রবার্টসন et al. রিপোর্ট করা হয়েছে যে সিহমের নিরপেক্ষ পণ্যগুলিতে, বিশুদ্ধ সাইলেন মূলত উচ্চ-শক্তি স্রাবের জন্য ব্যবহৃত হত, যেখানে সিহ3 মূলত নিম্ন-শক্তি স্রাবের জন্য ব্যবহৃত হত। উচ্চ থেকে নিম্নে ঘনত্বের ক্রম ছিল SiH3, SiH, Si, SiH2। ​​অতএব, প্লাজমা প্রক্রিয়া পরামিতিগুলি সিহম নিরপেক্ষ পণ্যগুলির গঠনকে দৃঢ়ভাবে প্রভাবিত করে।

উপরোক্ত বিয়োজন এবং আয়নীকরণ বিক্রিয়ার পাশাপাশি, আয়নিক অণুর মধ্যে গৌণ বিক্রিয়াগুলিও অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

অতএব, আয়ন ঘনত্বের দিক থেকে, sih3 + sih2 + এর চেয়ে বেশি। এটি ব্যাখ্যা করতে পারে কেন SiH4 প্লাজমাতে sih2 + আয়নের চেয়ে sih3 + আয়ন বেশি।

এছাড়াও, একটি আণবিক পরমাণুর সংঘর্ষ বিক্রিয়া ঘটবে যেখানে প্লাজমাতে থাকা হাইড্রোজেন পরমাণুগুলি SiH4 তে হাইড্রোজেনকে ধারণ করবে।

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

এটি একটি বহির্মুখী বিক্রিয়া এবং si2h6 গঠনের পূর্বসূরী। অবশ্যই, এই দলগুলি কেবল স্থল অবস্থায়ই নয়, প্লাজমাতে উত্তেজিত অবস্থায়ও উত্তেজিত। সাইলেন প্লাজমার নির্গমন বর্ণালী দেখায় যে Si, SIH, h এর অপটিক্যালি গ্রহণযোগ্য ট্রানজিশন উত্তেজিত অবস্থা এবং SiH2, SiH3 এর কম্পনমূলক উত্তেজিত অবস্থা রয়েছে।