Technoleg sylfaenol dyddodiad anwedd cemegol wedi'i wella gan plasma (PECVD)

1. Prif brosesau dyddodiad anwedd cemegol wedi'i wella gan plasma

Mae dyddodiad anwedd cemegol wedi'i wella gan plasma (PECVD) yn dechnoleg newydd ar gyfer tyfu ffilmiau tenau trwy adwaith cemegol sylweddau nwyol gyda chymorth plasma rhyddhau tywynnu. Gan fod technoleg PECVD yn cael ei baratoi trwy ryddhau nwy, mae nodweddion adwaith plasma anghydbwysedd yn cael eu defnyddio'n effeithiol, ac mae modd cyflenwi ynni'r system adwaith yn cael ei newid yn sylfaenol. Yn gyffredinol, pan ddefnyddir technoleg PECVD i baratoi ffilmiau tenau, mae twf ffilmiau tenau yn cynnwys y tair proses sylfaenol ganlynol yn bennaf.

Yn gyntaf, yn y plasma anghytbwys, mae electronau'n adweithio â'r nwy adwaith yn y cam cynradd i ddadelfennu'r nwy adwaith a ffurfio cymysgedd o ïonau a grwpiau gweithredol;

Yn ail, mae pob math o grwpiau gweithredol yn tryledu ac yn cludo i'r wyneb a wal y ffilm, ac mae'r adweithiau eilaidd rhwng yr adweithyddion yn digwydd ar yr un pryd;

Yn olaf, mae pob math o gynhyrchion adwaith cynradd ac eilaidd sy'n cyrraedd yr wyneb twf yn cael eu hamsugno ac yn adweithio â'r wyneb, ynghyd ag ail-ryddhau moleciwlau nwyol.

Yn benodol, gall technoleg PECVD sy'n seiliedig ar ddull rhyddhau tywynnu wneud i'r nwy adwaith ïoneiddio i ffurfio plasma o dan gyffroi maes electromagnetig allanol. Mewn plasma rhyddhau tywynnu, mae egni cinetig electronau a gyflymir gan faes trydan allanol fel arfer tua 10ev, neu hyd yn oed yn uwch, sy'n ddigon i ddinistrio'r bondiau cemegol o foleciwlau nwy adweithiol. Felly, trwy wrthdrawiad anelastig electronau egni uchel a moleciwlau nwy adweithiol, bydd y moleciwlau nwy yn cael eu hïoneiddio neu eu dadelfennu i gynhyrchu atomau niwtral a chynhyrchion moleciwlaidd. Mae'r ïonau positif yn cael eu cyflymu gan y maes trydan cyflymu haen ïon ac yn gwrthdaro â'r electrod uchaf. Mae yna hefyd faes trydan haen ïon bach ger yr electrod isaf, felly mae'r swbstrad hefyd yn cael ei beledu gan ïonau i ryw raddau. O ganlyniad, mae'r sylwedd niwtral a gynhyrchir gan ddadelfennu yn tryledu i wal y tiwb a'r swbstrad. Yn y broses o ddrifft a thrylediad, bydd y gronynnau a'r grwpiau hyn (gelwir yr atomau a'r moleciwlau niwtral sy'n gemegol weithredol yn grwpiau) yn cael adwaith moleciwl ïon ac adwaith moleciwl grŵp oherwydd y llwybr rhydd cyfartalog byr. Mae priodweddau cemegol y sylweddau cemegol gweithredol (grwpiau yn bennaf) sy'n cyrraedd y swbstrad ac yn cael eu hamsugno yn weithredol iawn, ac mae'r ffilm yn cael ei ffurfio gan y rhyngweithio rhyngddynt.

2. Adweithiau cemegol mewn plasma

Gan fod cyffroi'r nwy adwaith yn y broses rhyddhau tywynnu yn bennaf yn wrthdrawiad electronau, mae'r adweithiau elfennol yn y plasma yn amrywiol, ac mae'r rhyngweithio rhwng y plasma a'r arwyneb solet hefyd yn gymhleth iawn, sy'n ei gwneud hi'n anoddach astudio mecanwaith y broses PECVD. Hyd yn hyn, mae llawer o systemau adwaith pwysig wedi'u optimeiddio trwy arbrofion i gael ffilmiau â phriodweddau delfrydol. Ar gyfer dyddodiad ffilmiau tenau sy'n seiliedig ar silicon yn seiliedig ar dechnoleg PECVD, os gellir datgelu'r mecanwaith dyddodiad yn ddwfn, gellir cynyddu cyfradd dyddodiad ffilmiau tenau sy'n seiliedig ar silicon yn fawr ar sail sicrhau priodweddau ffisegol rhagorol deunyddiau.

Ar hyn o bryd, wrth ymchwilio i ffilmiau tenau sy'n seiliedig ar silicon, defnyddir silane gwanedig hydrogen (SiH4) yn helaeth fel nwy adwaith oherwydd bod rhywfaint o hydrogen yn y ffilmiau tenau sy'n seiliedig ar silicon. Mae H yn chwarae rhan bwysig iawn yn y ffilmiau tenau sy'n seiliedig ar silicon. Gall lenwi'r bondiau crog yn strwythur y deunydd, lleihau lefel egni'r diffyg yn fawr, a gwireddu rheolaeth electronau falens y deunyddiau yn hawdd. Ers i spear et al. sylweddoli effaith dopio ffilmiau tenau silicon gyntaf a pharatoi'r gyffordd PN gyntaf yn, mae'r ymchwil ar baratoi a chymhwyso ffilmiau tenau sy'n seiliedig ar silicon yn seiliedig ar dechnoleg PECVD wedi'i ddatblygu'n aruthrol. Felly, bydd yr adwaith cemegol mewn ffilmiau tenau sy'n seiliedig ar silicon a adneuwyd gan dechnoleg PECVD yn cael ei ddisgrifio a'i drafod yn yr hyn a ganlyn.

O dan yr amod rhyddhau tywynnu, oherwydd bod gan yr electronau yn y plasma silan fwy na sawl egni EV, bydd H2 a SiH4 yn dadelfennu pan fyddant yn cael eu gwrthdaro gan electronau, sy'n perthyn i'r adwaith cynradd. Os na ystyriwn y cyflyrau cyffro canolradd, gallwn gael yr adweithiau daduniad canlynol o sihm (M = 0,1,2,3) gyda 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)

Yn ôl gwres cynhyrchu safonol moleciwlau cyflwr daear, yr egni sydd ei angen ar gyfer y prosesau daduniad uchod (2.1) ~ (2.5) yw 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV a 4.5 EV yn y drefn honno. Gall electronau egni uchel mewn plasma hefyd fynd trwy'r adweithiau ïoneiddio canlynol

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)

Yr egni sydd ei angen ar gyfer (2.6) ~ (2.9) yw 11.9, 12.3, 13.6 a 15.3 EV yn y drefn honno. Oherwydd y gwahaniaeth yn egni'r adwaith, mae tebygolrwydd adweithiau (2.1) ~ (2.9) yn anwastad iawn. Yn ogystal, bydd y sihm a ffurfir gyda'r broses adwaith (2.1) ~ (2.5) yn mynd trwy'r adweithiau eilaidd canlynol i ïoneiddio, fel

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Os cynhelir yr adwaith uchod trwy broses un electron, mae'r ynni sydd ei angen tua 12 eV neu fwy. O ystyried y ffaith bod nifer yr electronau ynni uchel uwchlaw 10ev yn y plasma ïoneiddiedig gwan gyda dwysedd electron o 1010cm-3 yn gymharol fach o dan y pwysau atmosfferig (10-100pa) ar gyfer paratoi ffilmiau sy'n seiliedig ar silicon, mae'r tebygolrwydd ïoneiddio cronnus yn gyffredinol yn llai na'r tebygolrwydd cyffroi. Felly, mae cyfran y cyfansoddion ïoneiddiedig uchod mewn plasma silan yn fach iawn, ac mae'r grŵp niwtral o sihm yn drech. Mae canlyniadau'r dadansoddiad sbectrwm màs hefyd yn profi'r casgliad hwn [8]. Nododd Bourquard et al. ymhellach fod crynodiad sihm wedi gostwng yn nhrefn sih3, sih2, Si a SIH, ond roedd crynodiad SiH3 ar y mwyaf dair gwaith yn fwy na chrynodiad SIH. Adroddodd Robertson et al., yng nghynhyrchion niwtral sihm, fod silan pur yn cael ei ddefnyddio'n bennaf ar gyfer rhyddhau pŵer uchel, tra bod sih3 yn cael ei ddefnyddio'n bennaf ar gyfer rhyddhau pŵer isel. Trefn y crynodiad o'r uchel i'r isel oedd SiH3, SiH, Si, SiH2. Felly, mae paramedrau'r broses plasma yn effeithio'n gryf ar gyfansoddiad cynhyrchion niwtral sihm.

Yn ogystal â'r adweithiau daduniad ac ïoneiddio uchod, mae'r adweithiau eilaidd rhwng moleciwlau ïonig hefyd yn bwysig iawn.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Felly, o ran crynodiad ïonau, mae sih3 + yn fwy na sih2 +. Gall esbonio pam mae mwy o ïonau sih3 + nag ïonau sih2 + ym plasma SiH4.

Yn ogystal, bydd adwaith gwrthdrawiad atom moleciwlaidd lle mae'r atomau hydrogen yn y plasma yn dal yr hydrogen yn SiH4

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Mae'n adwaith ecsothermig ac yn rhagflaenydd ar gyfer ffurfio si2h6. Wrth gwrs, nid yn unig y mae'r grwpiau hyn yn y cyflwr sylfaenol, ond maent hefyd wedi'u cyffroi i'r cyflwr cyffroedig yn y plasma. Mae sbectrwm allyriadau plasma silan yn dangos bod cyflyrau cyffroedig trawsnewidiol sy'n dderbyniol yn optegol o Si, SIH, h, a chyflyrau cyffroedig dirgryniadol o SiH2, SiH3.