1. Glavni procesi hemijskog taloženja iz gasne faze pojačanog plazmom
Plazma pojačano hemijsko taloženje iz pare (PECVD) je nova tehnologija za rast tankih filmova hemijskom reakcijom gasovitih supstanci uz pomoć plazme tlinjajućeg pražnjenja. Budući da se PECVD tehnologija priprema gasnim pražnjenjem, reakcijske karakteristike neravnotežne plazme se efikasno koriste, a način napajanja energijom reakcijskog sistema se fundamentalno mijenja. Generalno govoreći, kada se PECVD tehnologija koristi za pripremu tankih filmova, rast tankih filmova uglavnom uključuje sljedeća tri osnovna procesa.
Prvo, u neravnotežnoj plazmi, elektroni reaguju sa reakcionim gasom u primarnoj fazi kako bi razgradili reakcioni gas i formirali smjesu jona i aktivnih grupa;
Drugo, sve vrste aktivnih grupa difundiraju i transportuju se do površine i zida filma, a sekundarne reakcije između reaktanata se odvijaju istovremeno;
Konačno, sve vrste primarnih i sekundarnih reakcijskih produkata koji dospiju na površinu rasta se adsorbiraju i reagiraju s površinom, što je praćeno ponovnim oslobađanjem plinovitih molekula.
Konkretno, PECVD tehnologija zasnovana na metodi tlinjajućeg pražnjenja može učiniti da se reakcioni gas jonizuje i formira plazma pod pobudom vanjskog elektromagnetnog polja. U plazmi tlinjajućeg pražnjenja, kinetička energija elektrona ubrzanih vanjskim električnim poljem obično je oko 10 ev, ili čak i više, što je dovoljno da uništi hemijske veze reaktivnih molekula gasa. Stoga, kroz neelastičan sudar elektrona visoke energije i reaktivnih molekula gasa, molekuli gasa će biti jonizovani ili razloženi da bi se proizveli neutralni atomi i molekularni produkti. Pozitivni ioni se ubrzavaju ubrzavajućim električnim poljem ionskog sloja i sudaraju se sa gornjom elektrodom. Postoji i malo električno polje ionskog sloja u blizini donje elektrode, tako da je i supstrat donekle bombardovan ionima. Kao rezultat toga, neutralna supstanca nastala razgradnjom difundira do zida cijevi i supstrata. U procesu drifta i difuzije, ove čestice i grupe (hemijski aktivni neutralni atomi i molekuli nazivaju se grupe) će proći kroz reakciju ionskih molekula i reakciju grupnih molekula zbog kratkog prosječnog slobodnog puta. Hemijska svojstva hemijski aktivnih supstanci (uglavnom grupa) koje dospiju do supstrata i adsorbiraju se su vrlo aktivna, a film nastaje interakcijom između njih.
2. Hemijske reakcije u plazmi
Budući da je pobuda reakcijskog plina u procesu tinjajućeg pražnjenja uglavnom sudar elektrona, elementarne reakcije u plazmi su različite, a interakcija između plazme i čvrste površine je također vrlo složena, što otežava proučavanje mehanizma PECVD procesa. Do sada su mnogi važni reakcijski sistemi optimizirani eksperimentima kako bi se dobili filmovi s idealnim svojstvima. Za taloženje tankih filmova na bazi silicija PECVD tehnologijom, ako se mehanizam taloženja može detaljno otkriti, brzina taloženja tankih filmova na bazi silicija može se znatno povećati pod pretpostavkom osiguranja odličnih fizičkih svojstava materijala.
Trenutno se u istraživanju tankih filmova na bazi silicija, silan razrijeđen vodonikom (SiH4) široko koristi kao reakcijski plin jer tanki filmovi na bazi silicija sadrže određenu količinu vodonika. H2 igra vrlo važnu ulogu u tankim filmovima na bazi silicija. Može popuniti viseće veze u strukturi materijala, značajno smanjiti nivo energije defekata i lako ostvariti kontrolu valentnih elektrona u materijalima. Otkako su Spear i saradnici prvi shvatili efekat dopiranja tankih filmova silicija i pripremili prvi PN spoj, istraživanje pripreme i primjene tankih filmova na bazi silicija zasnovanih na PECVD tehnologiji se razvijalo skokovito. Stoga će u nastavku biti opisana i razmotrena hemijska reakcija u tankim filmovima na bazi silicija deponovanim PECVD tehnologijom.
Pod uslovima tinjajućeg pražnjenja, budući da elektroni u silan plazmi imaju više od nekoliko EV energije, H2 i SiH4 će se razložiti kada se sudare sa elektronima, što pripada primarnoj reakciji. Ako ne uzmemo u obzir međupobuđena stanja, možemo dobiti sljedeće reakcije disocijacije siHm-a (M = 0,1,2,3) sa 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)
Prema standardnoj toploti proizvodnje molekula osnovnog stanja, energije potrebne za gore navedene procese disocijacije (2.1) ~ (2.5) su 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV i 4.5 EV respektivno. Elektroni visoke energije u plazmi također mogu proći kroz sljedeće reakcije jonizacije
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)
Energija potrebna za (2.6) ~ (2.9) je 11.9, 12.3, 13.6 i 15.3 EV respektivno. Zbog razlike u energiji reakcije, vjerovatnoća reakcija (2.1) ~ (2.9) je vrlo neravnomjerna. Osim toga, sihm nastao reakcijskim procesom (2.1) ~ (2.5) će proći kroz sljedeće sekundarne reakcije ionizacije, kao što su
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ako se gore navedena reakcija izvodi putem procesa s jednim elektronom, potrebna energija je oko 12 eV ili više. S obzirom na činjenicu da je broj elektrona visoke energije iznad 10ev u slabo ioniziranoj plazmi s gustoćom elektrona od 1010cm-3 relativno mali pod atmosferskim pritiskom (10-100 Pa) za pripremu filmova na bazi silicija, kumulativna vjerovatnoća ionizacije je uglavnom manja od vjerovatnoće pobuđivanja. Stoga je udio gore navedenih ioniziranih spojeva u silan plazmi vrlo mali, a neutralna grupa sihm-a je dominantna. Rezultati analize masenog spektra također potvrđuju ovaj zaključak [8]. Bourquard i saradnici su dalje istakli da se koncentracija sihm-a smanjivala redom sih3, sih2, Si i SIH, ali je koncentracija SiH3 bila najviše tri puta veća od koncentracije SIH. Robertson i saradnici su izvijestili da se u neutralnim proizvodima sihm-a, čisti silan uglavnom koristio za pražnjenje velike snage, dok se sih3 uglavnom koristio za pražnjenje male snage. Redoslijed koncentracija od visoke do niske bio je SiH3, SiH, Si, SiH2. Stoga, parametri plazma procesa snažno utječu na sastav sihm neutralnih proizvoda.
Pored gore navedenih reakcija disocijacije i jonizacije, veoma su važne i sekundarne reakcije između jonskih molekula.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Stoga, u smislu koncentracije iona, sih3+ je veći od sih2+. To može objasniti zašto u SiH4 plazmi ima više sih3+ iona nego sih2+ iona.
Osim toga, doći će do reakcije sudara molekularnih atoma u kojoj atomi vodika u plazmi hvataju vodik u SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
To je egzotermna reakcija i prekursor za formiranje si2h6. Naravno, ove grupe nisu samo u osnovnom stanju, već su i pobuđene u pobuđeno stanje u plazmi. Emisioni spektri silanske plazme pokazuju da postoje optički prihvatljiva prelazna pobuđena stanja Si, SIH, h i vibraciona pobuđena stanja SiH2, SiH3
Vrijeme objave: 07.04.2021.