1. Principals processos de deposició química de vapor potenciada per plasma
La deposició química de vapor millorada per plasma (PECVD) és una nova tecnologia per al creixement de pel·lícules primes mitjançant la reacció química de substàncies gasoses amb l'ajuda de plasma de descàrrega luminescent. Com que la tecnologia PECVD es prepara mitjançant descàrrega de gas, les característiques de reacció del plasma fora de l'equilibri s'utilitzen eficaçment i el mode de subministrament d'energia del sistema de reacció canvia fonamentalment. En general, quan s'utilitza la tecnologia PECVD per preparar pel·lícules primes, el creixement de pel·lícules primes inclou principalment els tres processos bàsics següents:
En primer lloc, en el plasma fora de l'equilibri, els electrons reaccionen amb el gas de reacció a l'etapa primària per descompondre'l i formar una barreja d'ions i grups actius;
En segon lloc, tot tipus de grups actius es difonen i es transporten a la superfície i a la paret de la pel·lícula, i les reaccions secundàries entre els reactius es produeixen alhora;
Finalment, tot tipus de productes de reacció primaris i secundaris que arriben a la superfície de creixement s'adsorbeixen i reaccionen amb la superfície, acompanyats de la realliberació de molècules gasoses.
Concretament, la tecnologia PECVD basada en el mètode de descàrrega luminescent pot fer que el gas de reacció s'ionitzi per formar plasma sota l'excitació d'un camp electromagnètic extern. En el plasma de descàrrega luminescent, l'energia cinètica dels electrons accelerats pel camp elèctric extern sol ser d'uns 10 eV, o fins i tot superior, cosa que és suficient per destruir els enllaços químics de les molècules de gas reactives. Per tant, a través de la col·lisió inelàstica d'electrons d'alta energia i molècules de gas reactives, les molècules de gas s'ionitzaran o descompondran per produir àtoms neutres i productes moleculars. Els ions positius són accelerats pel camp elèctric accelerador de la capa d'ions i xoquen amb l'elèctrode superior. També hi ha un petit camp elèctric de la capa d'ions prop de l'elèctrode inferior, de manera que el substrat també és bombardejat per ions fins a cert punt. Com a resultat, la substància neutra produïda per la descomposició es difon a la paret del tub i al substrat. En el procés de deriva i difusió, aquestes partícules i grups (els àtoms i molècules neutres químicament actius s'anomenen grups) experimentaran una reacció de molècules iòniques i una reacció de molècules de grup a causa del curt recorregut lliure mitjà. Les propietats químiques de les substàncies actives químiques (principalment grups) que arriben al substrat i s'adsorbeixen són molt actives, i la pel·lícula es forma per la interacció entre elles.
2. Reaccions químiques en plasma
Com que l'excitació del gas de reacció en el procés de descàrrega luminescent és principalment col·lisió d'electrons, les reaccions elementals al plasma són diverses i la interacció entre el plasma i la superfície sòlida també és molt complexa, cosa que fa que sigui més difícil estudiar el mecanisme del procés PECVD. Fins ara, molts sistemes de reacció importants s'han optimitzat mitjançant experiments per obtenir pel·lícules amb propietats ideals. Per a la deposició de pel·lícules primes basades en silici basades en la tecnologia PECVD, si el mecanisme de deposició es pot revelar en profunditat, la velocitat de deposició de pel·lícules primes basades en silici es pot augmentar considerablement amb la premissa de garantir les excel·lents propietats físiques dels materials.
Actualment, en la investigació de pel·lícules primes basades en silici, el silà diluït amb hidrogen (SiH4) s'utilitza àmpliament com a gas de reacció perquè hi ha una certa quantitat d'hidrogen a les pel·lícules primes basades en silici. L'H juga un paper molt important en les pel·lícules primes basades en silici. Pot omplir els enllaços penjants a l'estructura del material, reduir considerablement el nivell d'energia del defecte i realitzar fàcilment el control d'electrons de valència dels materials. Des que Spear et al. van descobrir per primera vegada l'efecte de dopatge de les pel·lícules primes de silici i van preparar la primera unió PN el 2006, la investigació sobre la preparació i aplicació de pel·lícules primes basades en silici basades en la tecnologia PECVD s'ha desenvolupat a passos de gegant. Per tant, la reacció química en pel·lícules primes basades en silici dipositades mitjançant la tecnologia PECVD es descriurà i discutirà a continuació.
En la condició de descàrrega luminescent, com que els electrons del plasma de silà tenen més d'uns quants EV d'energia, l'H2 i el SiH4 es descomponen quan xoquen amb electrons, cosa que pertany a la reacció primària. Si no considerem els estats excitats intermedis, podem obtenir les següents reaccions de dissociació de sihm (M = 0,1,2,3) amb 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)
Segons la calor estàndard de producció de molècules en estat fonamental, les energies necessàries per als processos de dissociació anteriors (2.1) ~ (2.5) són 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV i 4.5 EV respectivament. Els electrons d'alta energia en el plasma també poden patir les següents reaccions d'ionització
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)
L'energia necessària per a (2.6) ~ (2.9) és d'11,9, 12,3, 13,6 i 15,3 EV respectivament. A causa de la diferència d'energia de reacció, la probabilitat de les reaccions (2.1) ~ (2.9) és molt desigual. A més, el sihm format amb el procés de reacció (2.1) ~ (2.5) experimentarà les següents reaccions secundàries per ionitzar-se, com ara
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Si la reacció anterior es duu a terme mitjançant un procés d'un sol electró, l'energia necessària és d'uns 12 eV o més. Atès que el nombre d'electrons d'alta energia superior a 10 eV en el plasma feblement ionitzat amb una densitat d'electrons de 1010 cm-3 és relativament petit sota la pressió atmosfèrica (10-100 pa) per a la preparació de pel·lícules basades en silici, la probabilitat d'ionització acumulada és generalment menor que la probabilitat d'excitació. Per tant, la proporció dels compostos ionitzats anteriors en el plasma de silà és molt petita, i el grup neutre de sihm és dominant. Els resultats de l'anàlisi de l'espectre de masses també proven aquesta conclusió [8]. Bourquard et al. van assenyalar a més que la concentració de sihm va disminuir en l'ordre de sih3, sih2, Si i SIH, però la concentració de SiH3 era com a màxim tres vegades superior a la de SIH. Robertson et al. van informar que en els productes neutres de sihm, el silà pur s'utilitzava principalment per a descàrregues d'alta potència, mentre que el sih3 s'utilitzava principalment per a descàrregues de baixa potència. L'ordre de concentració, de més alta a més baixa, era SiH3, SiH, Si, SiH2. Per tant, els paràmetres del procés de plasma afecten fortament la composició dels productes neutres de siHM.
A més de les reaccions de dissociació i ionització esmentades anteriorment, les reaccions secundàries entre molècules iòniques també són molt importants.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Per tant, en termes de concentració d'ions, sih3+ és més gran que sih2+. Això pot explicar per què hi ha més ions sih3+ que ions sih2+ en el plasma de SiH4.
A més, hi haurà una reacció de col·lisió d'àtoms moleculars en què els àtoms d'hidrogen del plasma capturen l'hidrogen del SiH4.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
És una reacció exotèrmica i un precursor per a la formació de Si2H6. Per descomptat, aquests grups no només es troben en l'estat fonamental, sinó que també s'exciten a l'estat excitat en el plasma. Els espectres d'emissió del plasma de silà mostren que hi ha estats excitats de transició òpticament admissibles de Si, SIH, h, i estats excitats vibracionals de SiH2, SiH3.
Data de publicació: 07 d'abril de 2021