1. Plasma bidezko lurrun-deposizio kimiko hobetuaren prozesu nagusiak
Plasma bidezko lurrun-deposizio kimiko hobetua (PECVD) film meheak hazteko teknologia berri bat da, substantzia gaseosoen erreakzio kimikoaren bidez, plasma distiratsuaren deskargaren laguntzarekin. PECVD teknologia gas-deskargaren bidez prestatzen denez, orekarik gabeko plasmaren erreakzio-ezaugarriak eraginkortasunez erabiltzen dira, eta erreakzio-sistemaren energia-hornikuntza modua funtsean aldatzen da. Oro har, PECVD teknologia film meheak prestatzeko erabiltzen denean, film meheen hazkuntzak hiru prozesu hauek barne hartzen ditu batez ere:
Lehenik eta behin, oreka gabeko plasman, elektroiek erreakzio-gasarekin erreakzionatzen dute lehen etapan erreakzio-gasa deskonposatzeko eta ioi eta talde aktiboen nahasketa bat osatzeko;
Bigarrenik, talde aktibo mota guztiak filmaren gainazalera eta hormara barreiatu eta garraiatzen dira, eta erreaktiboen arteko bigarren mailako erreakzioak aldi berean gertatzen dira;
Azkenik, hazkuntza-gainazalera iristen diren lehen eta bigarren mailako erreakzio-produktu mota guztiak adsorbatu eta gainazalarekin erreakzionatzen dute, molekula gaseosoak berriro askatuz batera.
Zehazki, distira-deskarga metodoan oinarritutako PECVD teknologiak erreakzio-gasa ionizatu dezake plasma sortzeko kanpoko eremu elektromagnetikoaren kitzikapenaren pean. Distira-deskarga plasman, kanpoko eremu elektrikoak azeleratutako elektroien energia zinetikoa normalean 10 eV ingurukoa da, edo are handiagoa, eta hori nahikoa da gas molekula erreaktiboen lotura kimikoak suntsitzeko. Beraz, energia handiko elektroien eta gas molekula erreaktiboen talka ez-elastikoaren bidez, gas molekulak ionizatu edo deskonposatu egingo dira atomo neutroak eta produktu molekularrak sortzeko. Ioi positiboak ioi geruzaren azeleratzen duen eremu elektrikoak azeleratzen ditu eta goiko elektrodoarekin talka egiten dute. Ioi geruza txiki baten eremu elektrikoa ere badago beheko elektrodoaren ondoan, beraz, substratua ere ioiek bonbardatzen dute neurri batean. Ondorioz, deskonposizioak sortutako substantzia neutroa hodiaren hormara eta substratura hedatzen da. Higadura eta difusio prozesuan, partikula eta talde hauek (atomo eta molekula neutro kimikoki aktiboei taldeak deitzen zaie) ioi molekula erreakzioa eta talde molekula erreakzioa jasango dute batez besteko bide libre laburra dela eta. Substratura iristen diren eta adsorbatzen diren substantzia aktibo kimikoen (batez ere taldeen) propietate kimikoak oso aktiboak dira, eta filma haien arteko elkarrekintzaren bidez sortzen da.
2. Plasmako erreakzio kimikoak
Distira-deskarga prozesuan erreakzio-gasaren kitzikapena batez ere elektroien talka denez, plasmako oinarrizko erreakzioak askotarikoak dira, eta plasmaren eta gainazal solidoaren arteko elkarrekintza ere oso konplexua da, eta horrek zaildu egiten du PECVD prozesuaren mekanismoa aztertzea. Orain arte, erreakzio-sistema garrantzitsu asko optimizatu dira esperimentuen bidez propietate idealak dituzten filmak lortzeko. PECVD teknologian oinarritutako siliziozko film meheen deposiziorako, deposizio-mekanismoa sakonki agerian uzten bada, siliziozko film meheen deposizio-tasa asko handitu daiteke materialen propietate fisiko bikainak bermatzeko premisan.
Gaur egun, siliziozko film meheen ikerketan, hidrogenoz diluitutako silanoa (SiH4) asko erabiltzen da erreakzio-gas gisa, siliziozko film meheetan hidrogeno kopuru jakin bat dagoelako. H-k oso paper garrantzitsua jokatzen du siliziozko film meheetan. Materialaren egituran dauden lotura zintzilikariak bete ditzake, akatsen energia-maila asko murriztu eta materialen balentzia-elektroien kontrola erraz lor dezake. Spear et al.-ek siliziozko film meheen dopatze-efektua lehen aldiz konturatu eta lehen PN juntura prestatu zutenetik, PECVD teknologian oinarritutako siliziozko film meheen prestaketa eta aplikazioari buruzko ikerketa izugarri garatu da. Hori dela eta, PECVD teknologiaren bidez metatutako siliziozko film meheetan gertatzen den erreakzio kimikoa jarraian deskribatuko eta eztabaidatuko da.
Distira-deskarga baldintzapean, silano plasmako elektroiek hainbat EV energia baino gehiago dutenez, H2 eta SiH4 deskonposatu egingo dira elektroiekin talka egiten dutenean, eta hori erreakzio primarioari dagokio. Tarteko egoera kitzikatuak kontuan hartzen ez baditugu, sihm-ren (M = 0,1,2,3) disoziazio erreakzio hauek lor ditzakegu H-rekin
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)
Oinarrizko egoeran dauden molekulen ekoizpen-bero estandarraren arabera, goiko disoziazio-prozesuetarako (2.1) ~ (2.5) behar diren energiak 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV eta 4.5 EV dira, hurrenez hurren. Plasmako energia handiko elektroiek ionizazio-erreakzio hauek ere jasan ditzakete:
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) erreakzioetarako behar den energia 11.9, 12.3, 13.6 eta 15.3 EV da, hurrenez hurren. Erreakzio-energiaren aldea dela eta, (2.1) ~ (2.9) erreakzioen probabilitatea oso desberdina da. Gainera, (2.1) ~ (2.5) erreakzio-prozesuarekin sortutako sihm-ak bigarren mailako erreakzio hauek jasango ditu ionizatzeko, hala nola:
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Goiko erreakzioa elektroi bakarreko prozesu baten bidez egiten bada, behar den energia 12 eV edo gehiagokoa da gutxi gorabehera. 1010cm-3-ko elektroi-dentsitatea duen plasma ahulki ionizatuan 10 ev-tik gorako energia handiko elektroien kopurua nahiko txikia dela kontuan hartuta presio atmosferikoan (10-100 pa) siliziozko filmak prestatzeko, ionizazio-probabilitate metatua kitzikapen-probabilitatea baino txikiagoa da, oro har. Beraz, goiko konposatu ionizatuen proportzioa silano-plasman oso txikia da, eta sihm-aren talde neutroa da nagusi. Masa-espektroaren analisi-emaitzek ere ondorio hau frogatzen dute [8]. Bourquard et al.-ek adierazi zuten, gainera, sihm-aren kontzentrazioa sih3, sih2, Si eta SIH ordenan gutxitu zela, baina SiH3-aren kontzentrazioa gehienez SIH-arena baino hirukoitza zela. Robertson et al.-ek jakinarazi zuten sihm-aren produktu neutroetan, silano purua batez ere potentzia handiko deskargarako erabiltzen zela, eta sih3, berriz, potentzia txikiko deskargarako. Kontzentrazio ordena, handienetik txikienera, SiH3, SiH, Si, SiH2 zen. Beraz, plasma prozesuaren parametroek eragin handia dute sihm neutroen produktuen konposizioan.
Goian aipatutako disoziazio eta ionizazio erreakzioez gain, molekula ionikoen arteko bigarren mailako erreakzioak ere oso garrantzitsuak dira.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Beraz, ioien kontzentrazioari dagokionez, sih3+ sih2+ baino handiagoa da. Horrek azal dezake zergatik dauden sih3+ ioi gehiago sih2+ ioiak baino SiH4 plasman.
Gainera, molekula-atomoen talka-erreakzio bat gertatuko da, non plasmako hidrogeno atomoek SiH4-ko hidrogenoa harrapatzen duten.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Erreakzio exotermikoa da eta si2h6-ren eraketaren aitzindaria. Jakina, talde hauek ez daude oinarrizko egoeran bakarrik, baita plasman kitzikatutako egoerara ere kitzikatuta daude. Silano plasmaren emisio espektroek erakusten dute Si, SIH, h-ren trantsizio-egoera kitzikatuak optikoki onargarriak direla, eta SiH2, SiH3-ren bibrazio-egoera kitzikatuak daudela.
Argitaratze data: 2021eko apirilaren 7a