Batakang teknolohiya sa plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)

1. Pangunang mga proseso sa plasma enhanced chemical vapor deposition

Ang plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) usa ka bag-ong teknolohiya para sa pagtubo sa nipis nga mga pelikula pinaagi sa kemikal nga reaksyon sa mga gas nga substansiya gamit ang glow discharge plasma. Tungod kay ang teknolohiya sa PECVD giandam pinaagi sa gas discharge, ang mga kinaiya sa reaksyon sa non-equilibrium plasma epektibo nga gigamit, ug ang paagi sa pagsuplay sa enerhiya sa sistema sa reaksyon hingpit nga nausab. Sa kinatibuk-an, kung ang teknolohiya sa PECVD gigamit sa pag-andam sa nipis nga mga pelikula, ang pagtubo sa nipis nga mga pelikula naglakip sa mosunod nga tulo ka batakang proseso.

Una, sa dili-equilibrium nga plasma, ang mga electron mo-react sa reaction gas sa primary stage aron madugta ang reaction gas ug maporma ang sagol nga mga ion ug aktibong grupo;

Ikaduha, ang tanang matang sa aktibong grupo mokaylap ug mobalhin ngadto sa ibabaw ug sa bungbong sa pelikula, ug ang ikaduhang mga reaksyon tali sa mga reactant mahitabo sa samang higayon;

Sa katapusan, ang tanang matang sa panguna ug sekondaryang mga produkto sa reaksyon nga makaabot sa nawong sa pagtubo masuhop ug mo-react sa nawong, inubanan sa pagpagawas pag-usab sa mga molekula sa gas.

Ilabi na, ang teknolohiya sa PECVD nga gibase sa pamaagi sa glow discharge makahimo sa reaksyon nga gas nga mo-ionize aron maporma ang plasma ubos sa excitation sa external electromagnetic field. Sa glow discharge plasma, ang kinetic energy sa mga electron nga gipadali sa external electric field kasagaran mga 10ev, o mas taas pa, nga igo na aron malaglag ang mga chemical bond sa reactive gas molecules. Busa, pinaagi sa inelastic collision sa high-energy electrons ug reactive gas molecules, ang mga gas molecules ma-ionize o madugta aron makahimo og neutral atoms ug molecular products. Ang positive ions gipadali sa ion layer nga nagpadali sa electric field ug mobangga sa ibabaw nga electrode. Adunay usab gamay nga ion layer electric field duol sa ubos nga electrode, mao nga ang substrate gibombahan usab sa mga ions sa pila ka sukod. Tungod niini, ang neutral substance nga gihimo sa decomposition mo-diffuse sa tube wall ug substrate. Sa proseso sa drift ug diffusion, kini nga mga particle ug groups (ang chemically active neutral atoms ug molecules gitawag og groups) moagi sa ion molecule reaction ug group molecule reaction tungod sa mubo nga average free path. Ang kemikal nga mga kabtangan sa mga aktibong substansiya sa kemikal (kasagaran mga grupo) nga makaabot sa substrate ug masuhop aktibo kaayo, ug ang pelikula naporma pinaagi sa interaksyon tali kanila.

2. Mga reaksiyong kemikal sa plasma

Tungod kay ang pag-excite sa reaction gas sa glow discharge process kasagaran tungod sa electron collision, ang elementary reactions sa plasma kay lain-lain, ug ang interaksyon tali sa plasma ug sa solid surface kay komplikado usab kaayo, nga nagpalisod sa pagtuon sa mekanismo sa PECVD process. Hangtod karon, daghang importanteng reaction systems ang na-optimize pinaagi sa mga eksperimento aron makakuha og mga films nga adunay ideal nga mga kabtangan. Para sa deposition sa silicon-based thin films base sa PECVD technology, kon ang deposition mechanism makita pag-ayo, ang deposition rate sa silicon-based thin films mahimong motaas pag-ayo base sa pagsiguro sa maayo kaayong pisikal nga mga kabtangan sa mga materyales.

Sa pagkakaron, sa panukiduki sa mga silicon-based thin films, ang hydrogen diluted silane (SiH4) kaylap nga gigamit isip reaction gas tungod kay adunay piho nga gidaghanon sa hydrogen sa mga silicon-based thin films. Ang H adunay importante nga papel sa mga silicon-based thin films. Mahimo niini nga pun-on ang mga nagbitay nga bugkos sa istruktura sa materyal, makunhuran pag-ayo ang lebel sa enerhiya sa depekto, ug dali nga matuman ang pagkontrol sa valence electron sa mga materyales. Sukad nga unang nasabtan ni Spear et al. ang doping effect sa mga silicon thin films ug giandam ang unang PN junction niadtong, ang panukiduki sa pag-andam ug paggamit sa mga silicon-based thin films base sa teknolohiya sa PECVD kusog nga naugmad. Busa, ang kemikal nga reaksyon sa mga silicon-based thin films nga gideposito sa teknolohiya sa PECVD ihulagway ug hisgutan sa mosunod.

Ubos sa kondisyon sa glow discharge, tungod kay ang mga electron sa silane plasma adunay labaw pa sa daghang EV energy, ang H2 ug SiH4 madunot kung kini mabangga sa mga electron, nga nahisakop sa primary reaction. Kung dili nato tagdon ang intermediate excited states, makuha nato ang mosunod nga dissociation reactions sa sihm (M = 0,1,2,3) uban 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)

Subay sa estandard nga kainit sa produksiyon sa mga molekula sa ground state, ang mga enerhiya nga gikinahanglan para sa mga proseso sa dissociation sa ibabaw (2.1) ~ (2.5) kay 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ug 4.5 EV matag usa. Ang mga electron nga taas og enerhiya sa plasma mahimo usab nga moagi sa mosunod nga mga reaksyon sa ionization.

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)

Ang enerhiya nga gikinahanglan para sa (2.6) ~ (2.9) kay 11.9, 12.3, 13.6 ug 15.3 EV matag usa. Tungod sa kalainan sa enerhiya sa reaksyon, ang posibilidad sa (2.1) ~ (2.9) nga mga reaksyon dili patas. Dugang pa, ang sihm nga naporma uban sa proseso sa reaksyon (2.1) ~ (2.5) moagi sa mosunod nga mga ikaduhang reaksyon aron ma-ionize, sama sa

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Kon ang nahisgutang reaksyon ipahigayon pinaagi sa usa ka proseso sa electron, ang gikinahanglan nga enerhiya mga 12 eV o labaw pa. Tungod kay ang gidaghanon sa mga high-energy electron nga labaw sa 10ev sa weakly ionized plasma nga adunay electron density nga 1010cm-3 medyo gamay ubos sa atmospheric pressure (10-100pa) para sa pag-andam sa silicon-based films, ang cumulative ionization probability kasagaran mas gamay kay sa excitation probability. Busa, ang proporsyon sa nahisgutang ionized compounds sa silane plasma gamay ra kaayo, ug ang neutral group sa sihm ang dominante. Ang resulta sa mass spectrum analysis nagpamatuod usab niini nga konklusyon [8]. Dugang nga gipunting ni Bourquard et al. nga ang konsentrasyon sa sihm mikunhod sa han-ay sa sih3, sih2, Si ug SIH, apan ang konsentrasyon sa SiH3 labing taas tulo ka pilo kay sa SIH. Gireport ni Robertson et al. nga sa neutral nga mga produkto sa sihm, ang puro nga silane gigamit alang sa high-power discharge, samtang ang sih3 gigamit alang sa low-power discharge. Ang han-ay sa konsentrasyon gikan sa taas ngadto sa ubos mao ang SiH3, SiH, Si, SiH2. Busa, ang mga parametro sa proseso sa plasma kusog nga makaapekto sa komposisyon sa mga produktong neutral sa sihm.

Gawas pa sa mga reaksyon sa dissociation ug ionization nga nahisgotan sa ibabaw, ang mga sekondaryang reaksyon tali sa mga ionic molecule importante usab kaayo.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Busa, kon hisgutan ang konsentrasyon sa ion, ang sih3 + mas taas kay sa sih2 +. Makapasabot kini nganong mas daghan ang sih3 + ions kaysa sih2 + ions sa SiH4 plasma.

Dugang pa, adunay reaksiyon sa pagbangga sa molekular nga atomo diin ang mga atomo sa hydrogen sa plasma mokuha sa hydrogen sa SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Kini usa ka exothermic reaction ug usa ka precursor sa pagporma sa si2h6. Siyempre, kini nga mga grupo dili lamang anaa sa ground state, apan na-excite usab sa excited state sa plasma. Ang emission spectra sa silane plasma nagpakita nga adunay optically admissible transition excited states sa Si, SIH, h, ug vibrational excited states sa SiH2, SiH3.