Tecnulugia di basa di a deposizione chimica di vapore rinfurzata da plasma (PECVD)

1. Prucessi principali di deposizione chimica di vapore rinfurzata da plasma

A deposizione chimica di vapore rinfurzata da plasma (PECVD) hè una nova tecnulugia per a crescita di film sottili per reazione chimica di sustanzi gassosi cù l'aiutu di plasma di scarica luminescente. Siccomu a tecnulugia PECVD hè preparata per scarica di gas, e caratteristiche di reazione di u plasma fora di equilibriu sò aduprate efficacemente, è u modu di furnimentu di energia di u sistema di reazione hè cambiatu fundamentalmente. In generale, quandu a tecnulugia PECVD hè aduprata per preparà film sottili, a crescita di film sottili include principalmente i seguenti trè prucessi basi.

Prima, in u plasma fora di equilibriu, l'elettroni reagiscenu cù u gasu di reazione in a fase primaria per decompone u gasu di reazione è furmà una mistura di ioni è gruppi attivi;

Siconda, tutti i tipi di gruppi attivi si sparghjenu è si trasportanu à a superficia è à u muru di u filmu, è e reazzioni secundarie trà i reagenti si verificanu à u listessu tempu;

Infine, tutti i tipi di prudutti di reazione primari è secundarii chì ghjunghjenu à a superficia di crescita sò adsorbiti è reagiscenu cù a superficia, accumpagnati da a riliberazione di molecule gassose.

Specificamente, a tecnulugia PECVD basata annantu à u metudu di scarica à bagliore pò fà ionizà u gasu di reazione per furmà plasma sottu à l'eccitazione di un campu elettromagneticu esternu. In u plasma di scarica à bagliore, l'energia cinetica di l'elettroni accelerati da u campu elettricu esternu hè di solitu circa 10 ev, o ancu più, chì hè abbastanza per distrughje i ligami chimichi di e molecule di gas reattive. Dunque, per via di a collisione anelastica di elettroni d'alta energia è molecule di gas reattive, e molecule di gas saranu ionizzate o decomposte per pruduce atomi neutri è prudutti moleculari. L'ioni pusitivi sò accelerati da u campu elettricu accelerante di u stratu ionicu è si scontranu cù l'elettrodu superiore. Ci hè ancu un picculu campu elettricu di u stratu ionicu vicinu à l'elettrodu inferiore, dunque u substratu hè ancu bombardatu da ioni in una certa misura. Di cunsiguenza, a sustanza neutra prodotta da a decomposizione si diffonde versu a parete di u tubu è u substratu. In u prucessu di deriva è diffusione, queste particelle è gruppi (l'atomi è e molecule neutre chimicamente attivi sò chjamati gruppi) subiscenu una reazione di e molecule ioniche è una reazione di e molecule di gruppu per via di u cortu percorsu liberu mediu. E proprietà chimiche di e sustanze attive chimiche (principalmente gruppi) chì ghjunghjenu à u sustratu è sò adsorbite sò assai attive, è u film hè furmatu da l'interazione trà elle.

2. Reazzioni chimiche in u plasma

Siccomu l'eccitazione di u gasu di reazione in u prucessu di scarica luminosa hè principalmente una collisione elettronica, e reazioni elementari in u plasma sò varie, è l'interazione trà u plasma è a superficia solida hè ancu assai cumplessa, ciò chì rende più difficiule u studiu di u mecanismu di u prucessu PECVD. Finu à avà, parechji sistemi di reazione impurtanti sò stati ottimizzati da esperimenti per ottene filmi cù proprietà ideali. Per a deposizione di filmi sottili à basa di siliciu basati nantu à a tecnulugia PECVD, se u mecanismu di deposizione pò esse rivelatu in prufundità, a velocità di deposizione di filmi sottili à basa di siliciu pò esse aumentata assai cù a premessa di assicurà l'eccellenti proprietà fisiche di i materiali.

Attualmente, in a ricerca di film sottili à basa di siliciu, u silanu diluitu cù l'idrogenu (SiH4) hè largamente utilizatu cum'è gas di reazione perchè ci hè una certa quantità d'idrogenu in i film sottili à basa di siliciu. L'H ghjoca un rolu assai impurtante in i film sottili à basa di siliciu. Pò riempie i ligami pendenti in a struttura di u materiale, riduce assai u livellu di energia di i difetti è realizà facilmente u cuntrollu di l'elettroni di valenza di i materiali. Dapoi chì Spear et al. anu realizatu per a prima volta l'effettu di doping di i film sottili à basa di siliciu è anu preparatu a prima giunzione PN in u 2000, a ricerca nantu à a preparazione è l'applicazione di film sottili à basa di siliciu basati nantu à a tecnulugia PECVD hè stata sviluppata à passi da gigante. Dunque, a reazione chimica in i film sottili à basa di siliciu depositati da a tecnulugia PECVD serà descritta è discussa quì sottu.

Sottu à a cundizione di scarica luminosa, postu chì l'elettroni in u plasma di silanu anu più di parechji EV d'energia, H2 è SiH4 si decomponenu quandu sò scontrati da l'elettroni, ciò chì appartene à a reazione primaria. Sè ùn cunsideremu micca i stati eccitati intermedi, pudemu ottene e seguenti reazioni di dissociazione di sihm (M = 0,1,2,3) cù 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)

Sicondu u calore standard di pruduzzione di e molecule di u statu fundamentale, l'energie necessarie per i prucessi di dissociazione sopra menzionati (2.1) ~ (2.5) sò 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV è 4.5 EV rispettivamente. L'elettroni d'alta energia in u plasma ponu ancu subisce e seguenti reazioni di ionizazione

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 necessaria per (2.6) ~ (2.9) hè 11.9, 12.3, 13.6 è 15.3 EV rispettivamente. A causa di a differenza di energia di reazione, a probabilità di reazioni (2.1) ~ (2.9) hè assai irregulare. Inoltre, u sihm furmatu cù u prucessu di reazione (2.1) ~ (2.5) subirà e seguenti reazioni secondarie per ionizà, cume

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Sè a reazione sopra hè realizata per mezu di un prucessu à un solu elettrone, l'energia necessaria hè di circa 12 eV o più. In vista di u fattu chì u numeru di elettroni d'alta energia sopra à 10 ev in u plasma debolmente ionizatu cù una densità elettronica di 1010 cm-3 hè relativamente chjucu sottu à a pressione atmosferica (10-100 pa) per a preparazione di filmi à basa di siliciu, a probabilità di ionizazione cumulativa hè generalmente più chjuca di a probabilità d'eccitazione. Dunque, a proporzione di i cumposti ionizzati sopra in u plasma di silanu hè assai chjuca, è u gruppu neutru di sihm hè dominante. I risultati di l'analisi di u spettru di massa dimostranu ancu sta cunclusione [8]. Bourquard et al. anu ancu signalatu chì a cuncentrazione di sihm hè diminuita in l'ordine di sih3, sih2, Si è SIH, ma a cuncentrazione di SiH3 era à u più trè volte quella di SIH. Robertson et al. anu riportatu chì in i prudutti neutri di sihm, u silanu puru era principalmente adupratu per a scarica d'alta putenza, mentre chì sih3 era principalmente adupratu per a scarica di bassa putenza. L'ordine di cuncentrazione da alta à bassa era SiH3, SiH, Si, SiH2. Dunque, i parametri di u prucessu di plasma influenzanu assai a cumpusizione di i prudutti neutri di sihm.

In più di e reazzioni di dissociazione è ionizazione sopra menzionate, e reazzioni secundarie trà e molecule ioniche sò ancu assai impurtanti.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Dunque, in termini di cuncentrazione di ioni, sih3+ hè più cà sih2+. Pò spiegà perchè ci sò più ioni sih3+ chè ioni sih2+ in u plasma SiH4.

Inoltre, ci serà una reazione di collisione di l'atomi moleculari in a quale l'atomi d'idrogenu in u plasma catturanu l'idrogenu in SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Hè una reazione esotermica è un precursore per a furmazione di si2h6. Benintesa, sti gruppi ùn sò micca solu in u statu fundamentale, ma sò ancu eccitati à u statu eccitatu in u plasma. I spettri d'emissione di u plasma di silanu mostranu chì ci sò stati eccitati di transizione otticamente ammissibili di Si, SIH, h, è stati eccitati vibrazionali di SiH2, SiH3.