Plasma abil keemilise sadestamise (PECVD) põhitehnoloogia

1. Plasma abil keemilise sadestamise peamised protsessid

Plasma abil keemilise sadestamise (PECVD) meetod on õhukeste kilede kasvatamine gaasiliste ainete keemilise reaktsiooni abil hõõglahendusplasma abil. Kuna PECVD-tehnoloogia abil valmistatakse kilesid gaaslahenduse abil, kasutatakse mittetasakaalulise plasma reaktsiooniomadusi tõhusalt ära ja reaktsioonisüsteemi energiavarustusviis muutub põhjalikult. Üldiselt hõlmab õhukeste kilede kasvatamine PECVD-tehnoloogia abil peamiselt järgmisi kolme põhiprotsessi:

Esiteks reageerivad mittetasakaalulises plasmas elektronid reaktsioonigaasiga primaarses etapis, lagundades reaktsioonigaasi ja moodustades ioonide ja aktiivsete rühmade segu;

Teiseks, igasugused aktiivsed rühmad difundeeruvad ja transpordivad kile pinnale ja seinale ning reagentide vahelised sekundaarsed reaktsioonid toimuvad samaaegselt;

Lõpuks adsorbeeruvad kõikvõimalikud kasvupinnale jõudvad primaarsed ja sekundaarsed reaktsioonisaadused ning reageerivad pinnaga, millega kaasneb gaasiliste molekulide taaseraldumine.

Täpsemalt öeldes suudab PECVD-tehnoloogia, mis põhineb hõõglahendusmeetodil, reaktsioonigaasi välise elektromagnetvälja ergastamisel ioniseerida, moodustades plasma. Hõõglahendusplasmas on välise elektrivälja poolt kiirendatud elektronide kineetiline energia tavaliselt umbes 10 EV või isegi suurem, mis on piisav reaktiivsete gaasimolekulide keemiliste sidemete hävitamiseks. Seega ioniseeruvad või lagunevad gaasimolekulid suure energiaga elektronide ja reaktiivsete gaasimolekulide mitteelastse kokkupõrke kaudu, moodustades neutraalseid aatomeid ja molekulaarseid saadusi. Positiivsed ioonid kiirendatakse ioonkihi kiirendava elektrivälja abil ja põrkuvad ülemise elektroodiga. Alumise elektroodi lähedal on ka väike ioonkihi elektriväli, mistõttu ka substraat on teatud määral ioonidega pommitatud. Selle tulemusena difundeerub lagunemisel tekkiv neutraalne aine toru seinale ja substraadile. Triivi ja difusiooni käigus läbivad need osakesed ja rühmad (keemiliselt aktiivseid neutraalseid aatomeid ja molekule nimetatakse rühmadeks) ioonmolekuli reaktsiooni ja rühmamolekuli reaktsiooni lühikese keskmise vaba tee tõttu. Substraadile jõudvate ja adsorbeeruvate keemiliste toimeainete (peamiselt rühmade) keemilised omadused on väga aktiivsed ning kile moodustub nende omavahelise interaktsiooni tulemusena.

2. Keemilised reaktsioonid plasmas

Kuna hõõglahendusprotsessis reaktsioongaasi ergastamine toimub peamiselt elektronide kokkupõrkena, on plasmas toimuvad elementaarreaktsioonid mitmekesised ning plasma ja tahke pinna vastastikmõju on samuti väga keeruline, mis raskendab PECVD protsessi mehhanismi uurimist. Praeguseks on katsete abil optimeeritud paljusid olulisi reaktsioonisüsteeme, et saada ideaalsete omadustega kilesid. Ränipõhiste õhukeste kilede sadestamiseks PECVD tehnoloogial, kui sadestamismehhanismi saab põhjalikult selgitada, saab ränipõhiste õhukeste kilede sadestumiskiirust oluliselt suurendada, tagades materjalide suurepärased füüsikalised omadused.

Praegu kasutatakse ränipõhiste õhukeste kilede uurimisel laialdaselt vesinikuga lahjendatud silaani (SiH4), kuna ränipõhistes õhukestes kiledes on teatud kogus vesinikku. H mängib ränipõhistes õhukestes kiledes väga olulist rolli. See suudab täita materjali struktuuris rippuvaid sidemeid, vähendada oluliselt defektide energiataset ja hõlpsalt teostada materjalide valentselektronide juhtimist. Alates ajast, mil Spear jt. esmakordselt mõistsid räni õhukeste kilede dopingefekti ja valmistasid esimese PN-siirde, on PECVD-tehnoloogial põhinevate ränipõhiste õhukeste kilede valmistamise ja rakendamise uuringud hüppeliselt arenenud. Seetõttu kirjeldatakse ja arutatakse järgnevalt PECVD-tehnoloogial sadestatud ränipõhistes õhukestes kiledes toimuvat keemilist reaktsiooni.

Hõõglahenduse tingimustes, kuna silaanplasma elektronidel on mitu EV energiat, lagunevad H2 ja SiH4 elektronidega kokkupõrkes, mis kuulub primaarse reaktsiooni hulka. Kui me ei arvesta vahepealseid ergastatud olekuid, saame järgmised sihmi (M = 0,1,2,3) dissotsiatsioonireaktsioonid H-ga:

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)

Põhioleku molekulide standardse soojuseralduse kohaselt on ülaltoodud dissotsiatsiooniprotsesside (2.1) ~ (2.5) jaoks vajalikud energiad vastavalt 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV ja 4,5 EV. Plasmas olevad kõrge energiaga elektronid võivad läbida ka järgmisi ionisatsioonireaktsioone

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)

(2.6) ~ (2.9) jaoks vajalik energia on vastavalt 11,9, 12,3, 13,6 ja 15,3 EV. Reaktsioonienergia erinevuse tõttu on (2.1) ~ (2.9) reaktsioonide tõenäosus väga ebaühtlane. Lisaks läbib reaktsiooniprotsessis (2.1) ~ (2.5) moodustunud ühend järgmised sekundaarsed reaktsioonid ioniseerimiseks, näiteks

SiH⁺e→SiH⁺2e (2.10)

SiH₂⁺e→SiH₂⁺⁺e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Kui ülaltoodud reaktsioon viiakse läbi ühe elektroni protsessi abil, on vajalik energia umbes 12 eV või rohkem. Arvestades asjaolu, et nõrgalt ioniseeritud plasmas elektrontihedusega 1010 cm-3 on atmosfäärirõhul (10-100 Pa) suhteliselt vähe kõrge energiaga elektrone, on ränipõhiste kilede valmistamiseks kumulatiivne ionisatsioonitõenäosus üldiselt väiksem kui ergastamise tõenäosus. Seetõttu on ülaltoodud ioniseeritud ühendite osakaal silaaniplasmas väga väike ja sihmi neutraalne rühm on domineeriv. Seda järeldust kinnitavad ka massispektri analüüsi tulemused [8]. Bourquard jt. tõid lisaks välja, et sihmi kontsentratsioon vähenes sihmi kontsentratsiooni suurusjärgus sih3, sih2, Si ja SIH, kuid SiH3 kontsentratsioon oli maksimaalselt kolm korda suurem kui SIH oma. Robertson jt. teatasid, et sihmi neutraalsetes produktides kasutati puhast silaani peamiselt suure võimsusega tühjenemiseks, samas kui sih3 kasutati peamiselt väikese võimsusega tühjenemiseks. Kontsentratsiooni järjestus kõrgest madalani oli SiH3, SiH, Si, SiH2. Seega mõjutavad plasmaprotsessi parameetrid tugevalt sihm-neutraalsete produktide koostist.

Lisaks ülaltoodud dissotsiatsiooni- ja ionisatsioonireaktsioonidele on väga olulised ka ioonsete molekulide vahelised sekundaarsed reaktsioonid.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)

Seega on ioonide kontsentratsiooni osas sih3+ suurem kui sih2+. See võib selgitada, miks SiH4 plasmas on rohkem sih3+ ioone kui sih2+ ioone.

Lisaks toimub molekulaarsete aatomite kokkupõrkereaktsioon, mille käigus plasma vesinikuaatomid püüavad kinni SiH4-s oleva vesiniku.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

See on eksotermiline reaktsioon ja si2h6 moodustumise eelkäija. Loomulikult ei ole need rühmad mitte ainult põhiolekus, vaid ka ergastatud plasmas ergastatud olekusse. Silaaniplasma emissioonispektrid näitavad, et eksisteerivad optiliselt vastuvõetavad Si, SIH ja h üleminekuergastatud olekud ning SiH2 ja SiH3 vibratsioonilised ergastatud olekud.