1. Hauptprozesse der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung
Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) ist eine neue Technologie zur Herstellung dünner Schichten durch chemische Reaktionen gasförmiger Substanzen mithilfe von Glimmentladungsplasma. Da die PECVD-Technologie durch Gasentladung erzeugt wird, werden die Reaktionseigenschaften des Nichtgleichgewichtsplasmas effektiv genutzt und die Energiezufuhr des Reaktionssystems grundlegend verändert. Im Allgemeinen umfasst die Herstellung dünner Schichten mit PECVD-Technologie im Wesentlichen die folgenden drei grundlegenden Prozesse:
Erstens reagieren im Nichtgleichgewichtsplasma Elektronen mit dem Reaktionsgas in der Primärphase, um das Reaktionsgas zu zersetzen und eine Mischung aus Ionen und aktiven Gruppen zu bilden.
Zweitens diffundieren und transportieren alle Arten aktiver Gruppen zur Oberfläche und zur Wand des Films, und die Sekundärreaktionen zwischen den Reaktanten finden gleichzeitig statt.
Schließlich werden alle Arten von primären und sekundären Reaktionsprodukten, die die Wachstumsoberfläche erreichen, adsorbiert und reagieren mit der Oberfläche, was mit der erneuten Freisetzung gasförmiger Moleküle einhergeht.
Die auf der Glimmentladung basierende PECVD-Technologie ermöglicht die Ionisierung des Reaktionsgases unter Anregung durch ein externes elektromagnetisches Feld zu Plasma. Im Glimmentladungsplasma beträgt die kinetische Energie der durch ein externes elektrisches Feld beschleunigten Elektronen üblicherweise etwa 10 eV oder sogar mehr, was ausreicht, um die chemischen Bindungen reaktiver Gasmoleküle zu zerstören. Durch den unelastischen Zusammenstoß von hochenergetischen Elektronen und reaktiven Gasmolekülen werden die Gasmoleküle ionisiert bzw. zersetzt, wobei neutrale Atome und Molekülprodukte entstehen. Die positiven Ionen werden durch das beschleunigende elektrische Feld der Ionenschicht beschleunigt und kollidieren mit der oberen Elektrode. In der Nähe der unteren Elektrode befindet sich zudem ein schwaches elektrisches Feld der Ionenschicht, sodass auch das Substrat einem gewissen Ionenbeschuss ausgesetzt ist. Dadurch diffundiert die durch die Zersetzung entstandene neutrale Substanz zur Rohrwand und zum Substrat. Im Drift- und Diffusionsprozess durchlaufen diese Partikel und Gruppen (die chemisch aktiven neutralen Atome und Moleküle werden als Gruppen bezeichnet) aufgrund der kurzen durchschnittlichen freien Weglänge Ionen-Molekül-Reaktionen und Gruppen-Molekül-Reaktionen. Die chemischen Eigenschaften der chemisch aktiven Substanzen (hauptsächlich Gruppen), die das Substrat erreichen und adsorbiert werden, sind sehr aktiv, und der Film wird durch die Wechselwirkung zwischen ihnen gebildet.
2. Chemische Reaktionen im Plasma
Da die Anregung des Reaktionsgases im Glimmentladungsprozess hauptsächlich durch Elektronenkollisionen erfolgt, sind die Elementarreaktionen im Plasma vielfältig und die Wechselwirkung zwischen Plasma und Festkörperoberfläche sehr komplex, was die Untersuchung des Mechanismus des PECVD-Prozesses erschwert. Bisher wurden viele wichtige Reaktionssysteme experimentell optimiert, um Filme mit optimalen Eigenschaften zu erhalten. Bei der Abscheidung von siliziumbasierten Dünnschichten mittels PECVD-Technologie lässt sich die Abscheidungsrate deutlich steigern, wenn der Abscheidungsmechanismus detailliert aufgeklärt wird, unter der Voraussetzung, dass die hervorragenden physikalischen Eigenschaften der Materialien gewährleistet bleiben.
Derzeit wird bei der Forschung zu siliziumbasierten Dünnschichten häufig wasserstoffverdünntes Silan (SiH4) als Reaktionsgas verwendet, da siliziumbasierte Dünnschichten eine bestimmte Menge Wasserstoff enthalten. Wasserstoff spielt bei siliziumbasierten Dünnschichten eine sehr wichtige Rolle. Er kann freie Bindungen in der Materialstruktur füllen, das Defektenergieniveau stark senken und die Valenzelektronensteuerung der Materialien problemlos realisieren. Seit Spear et al. erstmals den Dotierungseffekt von Siliziumdünnschichten erkannten und den ersten PN-Übergang herstellten, hat sich die Forschung zur Herstellung und Anwendung von siliziumbasierten Dünnschichten mittels PECVD-Technologie sprunghaft weiterentwickelt. Daher wird im Folgenden die chemische Reaktion in siliziumbasierten Dünnschichten, die mittels PECVD-Technologie abgeschieden werden, beschrieben und erörtert.
Unter Glimmentladungsbedingungen zersetzen sich H2 und SiH4 bei Elektronenkollision, da die Elektronen im Silanplasma über mehrere EV Energie verfügen. Dies ist die primäre Reaktion. Wenn wir die angeregten Zwischenzustände nicht berücksichtigen, ergeben sich folgende Dissoziationsreaktionen von SiHm (M = 0,1,2,3) mit 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)
Gemäß der Standardproduktionsenthalpie von Molekülen im Grundzustand betragen die für die oben genannten Dissoziationsprozesse (2.1) ~ (2.5) erforderlichen Energien 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV bzw. 4,5 EV. Hochenergetische Elektronen im Plasma können auch die folgenden Ionisierungsreaktionen durchlaufen
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)
Die für (2.6) ~ (2.9) benötigte Energie beträgt 11,9, 12,3, 13,6 bzw. 15,3 EV. Aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsenergie ist die Wahrscheinlichkeit von (2.1) ~ (2.9) Reaktionen sehr ungleichmäßig. Darüber hinaus wird das im Reaktionsprozess (2.1) ~ (2.5) gebildete Sihm die folgenden Sekundärreaktionen zur Ionisierung durchlaufen, wie z. B.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Wird die obige Reaktion mit einem Einzelelektronenprozess durchgeführt, beträgt die erforderliche Energie mindestens 12 eV. Da die Zahl der energiereichen Elektronen über 10 eV in einem schwach ionisierten Plasma mit einer Elektronendichte von 1010 cm-3 bei atmosphärischem Druck (10–100 Pa) relativ gering ist, ist die kumulative Ionisierungswahrscheinlichkeit für die Herstellung von Siliziumfilmen im Allgemeinen geringer als die Anregungswahrscheinlichkeit. Deshalb ist der Anteil der oben ionisierten Verbindungen im Silanplasma sehr gering und die neutrale Gruppe von SIHM dominiert. Die Ergebnisse der Massenspektrumanalyse belegen diese Schlussfolgerung [8]. Bourquard et al. wiesen ferner darauf hin, dass die SIHM-Konzentration in der Reihenfolge SIH3, SIH2, Si und SIH abnimmt, die SiH3-Konzentration jedoch höchstens dreimal so hoch ist wie die von SIH. Robertson et al. Es wurde berichtet, dass in den neutralen SIHM-Produkten hauptsächlich reines Silan für Hochleistungsentladungen und SiH3 für Niedrigleistungsentladungen verwendet wurde. Die Konzentrationsreihenfolge von hoch nach niedrig war SiH3, SiH, Si, SiH2. Daher beeinflussen die Plasmaprozessparameter die Zusammensetzung der neutralen SIHM-Produkte stark.
Neben den oben genannten Dissoziations- und Ionisierungsreaktionen sind auch die Sekundärreaktionen zwischen ionischen Molekülen sehr wichtig
SiH2+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Daher ist in Bezug auf die Ionenkonzentration SiH3+ größer als SiH2+. Dies kann erklären, warum im SiH4-Plasma mehr SiH3+-Ionen als SiH2+-Ionen vorhanden sind.
Darüber hinaus kommt es zu einer molekularen Atomkollisionsreaktion, bei der die Wasserstoffatome im Plasma den Wasserstoff in SiH4 einfangen.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Es handelt sich um eine exotherme Reaktion und einen Vorläufer für die Bildung von Si2H6. Natürlich befinden sich diese Gruppen nicht nur im Grundzustand, sondern werden im Plasma auch in den angeregten Zustand angeregt. Die Emissionsspektren des Silanplasmas zeigen, dass es optisch zulässige Übergangszustände von Si, SIH, h und Schwingungszustände von SiH2, SiH3 gibt.
Beitragszeit: 07.04.2021