1. Hovedprocesser for plasmaforstærket kemisk dampaflejring
Plasmaforstærket kemisk dampaflejring (PECVD) er en ny teknologi til vækst af tyndfilm ved kemisk reaktion af gasformige stoffer ved hjælp af glødeudladningsplasma. Fordi PECVD-teknologi fremstilles ved gasudladning, udnyttes reaktionskarakteristikaene for ikke-ligevægtsplasma effektivt, og reaktionssystemets energiforsyningsmåde ændres fundamentalt. Generelt set, når PECVD-teknologi bruges til at fremstille tyndfilm, omfatter væksten af tyndfilm hovedsageligt følgende tre grundlæggende processer.
For det første reagerer elektroner i ikke-ligevægtsplasmaet med reaktionsgassen i det primære trin for at nedbryde reaktionsgassen og danne en blanding af ioner og aktive grupper;
For det andet diffunderer og transporteres alle slags aktive grupper til overfladen og filmens væg, og de sekundære reaktioner mellem reaktanterne forekommer samtidig;
Endelig adsorberes og reagerer alle former for primære og sekundære reaktionsprodukter, der når vækstoverfladen, med overfladen, ledsaget af genfrigivelse af gasformige molekyler.
Specifikt kan PECVD-teknologi baseret på glødeudladningsmetoden få reaktionsgassen til at ionisere og danne plasma under excitation af et eksternt elektromagnetisk felt. I glødeudladningsplasma er den kinetiske energi af elektroner accelereret af et eksternt elektrisk felt normalt omkring 10 EV eller endda højere, hvilket er nok til at ødelægge de kemiske bindinger i reaktive gasmolekyler. Derfor vil gasmolekylerne blive ioniseret eller nedbrudt gennem den uelastiske kollision af højenergielektroner og reaktive gasmolekyler og producere neutrale atomer og molekylære produkter. De positive ioner accelereres af ionlagets accelererende elektriske felt og kolliderer med den øvre elektrode. Der er også et lille elektrisk felt i ionlaget nær den nedre elektrode, så substratet også bombarderes af ioner i et vist omfang. Som et resultat diffunderer det neutrale stof, der produceres ved nedbrydning, til rørvæggen og substratet. I drift- og diffusionsprocessen vil disse partikler og grupper (de kemisk aktive neutrale atomer og molekyler kaldes grupper) undergå ionmolekylereaktion og gruppemolekylereaktion på grund af den korte gennemsnitlige frie vej. De kemiske egenskaber af de kemisk aktive stoffer (primært grupper), der når substratet og adsorberes, er meget aktive, og filmen dannes ved interaktionen mellem dem.
2. Kemiske reaktioner i plasma
Fordi excitationen af reaktionsgassen i glødeudladningsprocessen hovedsageligt sker ved elektronkollision, er de elementære reaktioner i plasmaet forskellige, og interaktionen mellem plasmaet og den faste overflade er også meget kompleks, hvilket gør det vanskeligere at studere mekanismen bag PECVD-processen. Indtil videre er mange vigtige reaktionssystemer blevet optimeret gennem eksperimenter for at opnå film med ideelle egenskaber. Til aflejring af siliciumbaserede tyndfilm baseret på PECVD-teknologi kan aflejringsmekanismen, hvis den kan afdækkes i dybden, øges aflejringshastigheden for siliciumbaserede tyndfilm betydeligt under forudsætning af at sikre materialernes fremragende fysiske egenskaber.
I øjeblikket anvendes hydrogenfortyndet silan (SiH4) i vid udstrækning som reaktionsgas i forskningen i siliciumbaserede tyndfilm, fordi der er en vis mængde hydrogen i de siliciumbaserede tyndfilm. H2 spiller en meget vigtig rolle i de siliciumbaserede tyndfilm. Det kan udfylde de dinglende bindinger i materialestrukturen, reducere defektenerginiveauet betydeligt og nemt realisere valenselektronkontrol i materialerne. Siden Spear et al. først indså doteringseffekten af siliciumtyndfilm og fremstillede den første PN-forbindelse i , er forskningen i fremstilling og anvendelse af siliciumbaserede tyndfilm baseret på PECVD-teknologi blevet udviklet med stormskridt. Derfor vil den kemiske reaktion i siliciumbaserede tyndfilm afsat ved hjælp af PECVD-teknologi blive beskrevet og diskuteret i det følgende.
Under glødeudladningsbetingelsen, fordi elektronerne i silanplasmaet har mere end et par EV-energier, vil H2 og SiH4 nedbrydes, når de kolliderer med elektroner, hvilket hører til den primære reaktion. Hvis vi ikke tager de mellemliggende exciterede tilstande i betragtning, kan vi få følgende dissociationsreaktioner af sihm (M = 0,1,2,3) med 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)
Ifølge standardproduktionsvarmen for grundtilstandsmolekyler er de energier, der kræves til ovenstående dissociationsprocesser (2.1) ~ (2.5), henholdsvis 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV og 4,5 EV. Højenergielektroner i plasma kan også undergå følgende ioniseringsreaktioner
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)
Den nødvendige energi til (2.6) ~ (2.9) er henholdsvis 11,9, 12,3, 13,6 og 15,3 EV. På grund af forskellen i reaktionsenergi er sandsynligheden for (2.1) ~ (2.9) reaktioner meget ujævn. Derudover vil den sihm, der dannes med reaktionsprocessen (2.1) ~ (2.5), gennemgå følgende sekundære reaktioner for at ionisere, såsom
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Hvis ovenstående reaktion udføres ved hjælp af en enkelt elektronproces, er den nødvendige energi omkring 12 eV eller mere. I betragtning af at antallet af højenergielektroner over 10 ev i det svagt ioniserede plasma med en elektrontæthed på 1010 cm-3 er relativt lille under atmosfærisk tryk (10-100 pa) til fremstilling af siliciumbaserede film, er den kumulative ioniseringssandsynlighed generelt mindre end excitationssandsynligheden. Derfor er andelen af de ovennævnte ioniserede forbindelser i silanplasma meget lille, og den neutrale gruppe af sihm er dominerende. Resultaterne af massespektrumanalysen bekræfter også denne konklusion [8]. Bourquard et al. påpegede yderligere, at koncentrationen af sihm faldt i størrelsesordenen sih3, sih2, Si og SIH, men koncentrationen af SiH3 var højst tre gange så stor som SIH. Robertson et al. rapporterede, at i de neutrale produkter af sihm blev ren silan hovedsageligt brugt til højeffektudladning, mens sih3 hovedsageligt blev brugt til laveffektudladning. Rækkefølgen af koncentrationen fra høj til lav var SiH3, SiH, Si, SiH2. Derfor påvirker plasmaprocesparametrene i høj grad sammensætningen af sihm-neutrale produkter.
Ud over ovenstående dissociations- og ioniseringsreaktioner er de sekundære reaktioner mellem ioniske molekyler også meget vigtige.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Derfor er sih3+, hvad angår ionkoncentration, større end sih2+. Det kan forklare, hvorfor der er flere sih3+-ioner end sih2+-ioner i SiH4-plasma.
Derudover vil der være en molekylær atomkollisionsreaktion, hvor hydrogenatomerne i plasmaet indfanger hydrogenet i SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Det er en eksoterm reaktion og en forløber for dannelsen af si2h6. Disse grupper er naturligvis ikke kun i grundtilstanden, men også exciterede til den exciterede tilstand i plasmaet. Emissionsspektrene af silanplasma viser, at der er optisk tilladelige transitionelle exciterede tilstande af Si, SIH, h og vibrationelle exciterede tilstande af SiH2, SiH3.
Opslagstidspunkt: 7. april 2021