فناوری پایه رسوب شیمیایی بخار با پلاسما (PECVD)

۱. فرآیندهای اصلی رسوب بخار شیمیایی بهبود یافته با پلاسما

رسوب شیمیایی بخار با پلاسما (PECVD) یک فناوری جدید برای رشد لایه‌های نازک از طریق واکنش شیمیایی مواد گازی با کمک پلاسمای تخلیه تابشی است. از آنجا که فناوری PECVD با تخلیه گاز تهیه می‌شود، از ویژگی‌های واکنش پلاسمای غیرتعادلی به طور مؤثر استفاده می‌شود و نحوه تأمین انرژی سیستم واکنش اساساً تغییر می‌کند. به طور کلی، هنگامی که از فناوری PECVD برای تهیه لایه‌های نازک استفاده می‌شود، رشد لایه‌های نازک عمدتاً شامل سه فرآیند اساسی زیر است:

اولاً، در پلاسمای غیرتعادلی، الکترون‌ها در مرحله‌ی اولیه با گاز واکنش واکنش می‌دهند تا گاز واکنش را تجزیه کنند و مخلوطی از یون‌ها و گروه‌های فعال تشکیل دهند؛

ثانیاً، انواع گروه‌های فعال پخش می‌شوند و به سطح و دیواره فیلم منتقل می‌شوند و واکنش‌های ثانویه بین واکنش‌دهنده‌ها همزمان رخ می‌دهد؛

در نهایت، انواع محصولات واکنش اولیه و ثانویه که به سطح رشد می‌رسند، جذب شده و با سطح واکنش می‌دهند و با آزاد شدن مجدد مولکول‌های گازی همراه می‌شوند.

به طور خاص، فناوری PECVD مبتنی بر روش تخلیه تابشی می‌تواند گاز واکنش را یونیزه کرده و تحت تحریک میدان الکترومغناطیسی خارجی، پلاسما تشکیل دهد. در پلاسمای تخلیه تابشی، انرژی جنبشی الکترون‌های شتاب‌یافته توسط میدان الکتریکی خارجی معمولاً حدود 10 ولت یا حتی بیشتر است که برای از بین بردن پیوندهای شیمیایی مولکول‌های گاز واکنش‌پذیر کافی است. بنابراین، از طریق برخورد غیرالاستیک الکترون‌های پرانرژی و مولکول‌های گاز واکنش‌پذیر، مولکول‌های گاز یونیزه یا تجزیه می‌شوند تا اتم‌های خنثی و محصولات مولکولی تولید کنند. یون‌های مثبت توسط میدان الکتریکی شتاب‌دهنده لایه یونی شتاب می‌گیرند و با الکترود بالایی برخورد می‌کنند. همچنین یک میدان الکتریکی لایه یونی کوچک در نزدیکی الکترود پایینی وجود دارد، بنابراین زیرلایه نیز تا حدودی توسط یون‌ها بمباران می‌شود. در نتیجه، ماده خنثی تولید شده توسط تجزیه به دیواره لوله و زیرلایه پخش می‌شود. در فرآیند رانش و انتشار، این ذرات و گروه‌ها (اتم‌ها و مولکول‌های خنثی شیمیایی فعال، گروه نامیده می‌شوند) به دلیل مسیر آزاد متوسط ​​کوتاه، تحت واکنش مولکول یونی و واکنش مولکول گروهی قرار می‌گیرند. خواص شیمیایی مواد فعال شیمیایی (عمدتاً گروه‌ها) که به زیرلایه می‌رسند و جذب می‌شوند، بسیار فعال هستند و فیلم از طریق برهمکنش بین آنها تشکیل می‌شود.

۲. واکنش‌های شیمیایی در پلاسما

از آنجا که تحریک گاز واکنش در فرآیند تخلیه تابشی عمدتاً برخورد الکترون است، واکنش‌های ابتدایی در پلاسما متنوع هستند و برهمکنش بین پلاسما و سطح جامد نیز بسیار پیچیده است، که مطالعه مکانیسم فرآیند PECVD را دشوارتر می‌کند. تاکنون، بسیاری از سیستم‌های واکنش مهم با آزمایش‌ها بهینه شده‌اند تا فیلم‌هایی با خواص ایده‌آل به دست آیند. برای رسوب‌گذاری فیلم‌های نازک مبتنی بر سیلیکون مبتنی بر فناوری PECVD، اگر مکانیسم رسوب‌گذاری بتواند عمیقاً آشکار شود، می‌توان سرعت رسوب‌گذاری فیلم‌های نازک مبتنی بر سیلیکون را با فرض تضمین خواص فیزیکی عالی مواد، تا حد زیادی افزایش داد.

در حال حاضر، در تحقیقات لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون، سیلان رقیق‌شده با هیدروژن (SiH4) به طور گسترده به عنوان گاز واکنش استفاده می‌شود زیرا مقدار مشخصی هیدروژن در لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون وجود دارد. H نقش بسیار مهمی در لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون ایفا می‌کند. این گاز می‌تواند پیوندهای آویزان در ساختار ماده را پر کند، سطح انرژی نقص را تا حد زیادی کاهش دهد و به راحتی کنترل الکترون‌های ظرفیت مواد را محقق کند. از زمانی که اسپیر و همکارانش برای اولین بار به اثر آلایش لایه‌های نازک سیلیکون پی بردند و اولین اتصال PN را در سال ۱۹۹۱ تهیه کردند، تحقیقات در مورد تهیه و کاربرد لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون بر اساس فناوری PECVD با جهش‌هایی توسعه یافته است. بنابراین، واکنش شیمیایی در لایه‌های نازک مبتنی بر سیلیکون که توسط فناوری PECVD رسوب داده می‌شوند، در ادامه شرح داده شده و مورد بحث قرار خواهد گرفت.

تحت شرایط تخلیه تابشی، از آنجا که الکترون‌های موجود در پلاسمای سیلان بیش از چندین EV انرژی دارند، H2 و SiH4 هنگام برخورد با الکترون‌ها تجزیه می‌شوند که متعلق به واکنش اولیه است. اگر حالت‌های برانگیخته میانی را در نظر نگیریم، می‌توانیم واکنش‌های تفکیک sihm (M = 0,1,2,3) با H را به صورت زیر بدست آوریم.

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)

طبق گرمای استاندارد تولید مولکول‌های حالت پایه، انرژی‌های مورد نیاز برای فرآیندهای تفکیک فوق (2.1) ~ (2.5) به ترتیب 2.1، 4.1، 4.4، 5.9 EV و 4.5 EV هستند. الکترون‌های پرانرژی در پلاسما همچنین می‌توانند واکنش‌های یونیزاسیون زیر را انجام دهند:

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)

انرژی مورد نیاز برای (2.6) ~ (2.9) به ترتیب 11.9، 12.3، 13.6 و 15.3 EV است. با توجه به تفاوت انرژی واکنش، احتمال واکنش‌های (2.1) ~ (2.9) بسیار ناهموار است. علاوه بر این، sihm تشکیل شده با فرآیند واکنش (2.1) ~ (2.5) برای یونیزه شدن، واکنش‌های ثانویه زیر را انجام می‌دهد، مانند

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

اگر واکنش فوق از طریق یک فرآیند تک الکترونی انجام شود، انرژی مورد نیاز حدود 12 eV یا بیشتر است. با توجه به این واقعیت که تعداد الکترون‌های پرانرژی بالاتر از 10ev در پلاسمای یونیزه ضعیف با چگالی الکترونی 1010cm-3 تحت فشار اتمسفر (10-100pa) برای تهیه فیلم‌های مبتنی بر سیلیکون نسبتاً کم است، احتمال یونیزاسیون تجمعی عموماً کمتر از احتمال برانگیختگی است. بنابراین، نسبت ترکیبات یونیزه شده فوق در پلاسمای سیلان بسیار کم است و گروه خنثی sihm غالب است. نتایج تجزیه و تحلیل طیف جرمی نیز این نتیجه را اثبات می‌کند [8]. بورکوارد و همکارانش همچنین اشاره کردند که غلظت sihm به ترتیب sih3، sih2، Si و SIH کاهش یافته است، اما غلظت SiH3 حداکثر سه برابر SIH بوده است. رابرتسون و همکارانش. گزارش شده است که در محصولات خنثی sihm، سیلان خالص عمدتاً برای تخلیه با توان بالا استفاده می‌شود، در حالی که sih3 عمدتاً برای تخلیه با توان پایین استفاده می‌شود. ترتیب غلظت از زیاد به کم به صورت SiH3، SiH، Si، SiH2 است. بنابراین، پارامترهای فرآیند پلاسما به شدت بر ترکیب محصولات خنثی sihm تأثیر می‌گذارند.

علاوه بر واکنش‌های تفکیک و یونیزاسیون فوق، واکنش‌های ثانویه بین مولکول‌های یونی نیز بسیار مهم هستند.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

بنابراین، از نظر غلظت یون، sih3+ بیشتر از sih2+ است. می‌تواند توضیح دهد که چرا در پلاسمای SiH4، یون‌های sih3+ بیشتری نسبت به یون‌های sih2+ وجود دارد.

علاوه بر این، یک واکنش برخورد اتم مولکولی وجود خواهد داشت که در آن اتم‌های هیدروژن موجود در پلاسما، هیدروژن موجود در SiH4 را جذب می‌کنند.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

این یک واکنش گرمازا و پیش‌ساز تشکیل si2h6 است. البته، این گروه‌ها نه تنها در حالت پایه هستند، بلکه در پلاسما به حالت برانگیخته نیز برانگیخته می‌شوند. طیف‌های نشری پلاسمای سیلان نشان می‌دهد که حالت‌های برانگیخته گذار نوری قابل قبول Si، SIH، h و حالت‌های برانگیخته ارتعاشی SiH2، SiH3 وجود دارد.