1. Principais procesos de deposición química de vapor potenciada por plasma
A deposición química de vapor mellorada por plasma (PECVD) é unha nova tecnoloxía para o crecemento de películas delgadas mediante a reacción química de substancias gasosas coa axuda de plasma de descarga luminescente. Debido a que a tecnoloxía PECVD se prepara mediante descarga de gas, as características de reacción do plasma fóra do equilibrio utilízanse eficazmente e o modo de subministración de enerxía do sistema de reacción cambia fundamentalmente. En xeral, cando se usa a tecnoloxía PECVD para preparar películas delgadas, o crecemento de películas delgadas inclúe principalmente os seguintes tres procesos básicos:
En primeiro lugar, no plasma fóra do equilibrio, os electróns reaccionan co gas de reacción na etapa primaria para descompoñer o gas de reacción e formar unha mestura de ións e grupos activos;
En segundo lugar, todo tipo de grupos activos difúndense e transpórtanse á superficie e á parede da película, e as reaccións secundarias entre os reactivos ocorren ao mesmo tempo;
Finalmente, todo tipo de produtos de reacción primarios e secundarios que chegan á superficie de crecemento son adsorbidos e reaccionan coa superficie, acompañados da re-liberación de moléculas gasosas.
Especificamente, a tecnoloxía PECVD baseada no método de descarga luminescente pode facer que o gas de reacción se ionice para formar plasma baixo a excitación dun campo electromagnético externo. No plasma de descarga luminescente, a enerxía cinética dos electróns acelerados polo campo eléctrico externo adoita ser duns 10 eV, ou incluso superior, o que é suficiente para destruír as ligazóns químicas das moléculas de gas reactivo. Polo tanto, a través da colisión inelástica de electróns de alta enerxía e moléculas de gas reactivo, as moléculas de gas ionizaranse ou descompoñeranse para producir átomos neutros e produtos moleculares. Os ións positivos son acelerados polo campo eléctrico acelerador da capa de ións e chocan co eléctrodo superior. Tamén hai un pequeno campo eléctrico da capa de ións preto do eléctrodo inferior, polo que o substrato tamén é bombardeado por ións ata certo punto. Como resultado, a substancia neutra producida pola descomposición difúndese cara á parede do tubo e ao substrato. No proceso de deriva e difusión, estas partículas e grupos (os átomos e moléculas neutros quimicamente activos denomínanse grupos) sufrirán unha reacción de moléculas iónicas e unha reacción de moléculas grupais debido ao curto percorrido libre medio. As propiedades químicas das substancias químicas activas (principalmente grupos) que chegan ao substrato e son adsorbidas son moi activas, e a película fórmase pola interacción entre elas.
2. Reaccións químicas no plasma
Dado que a excitación do gas de reacción no proceso de descarga luminosa é principalmente unha colisión de electróns, as reaccións elementais no plasma son variadas e a interacción entre o plasma e a superficie sólida tamén é moi complexa, o que dificulta o estudo do mecanismo do proceso PECVD. Ata o de agora, moitos sistemas de reacción importantes foron optimizados mediante experimentos para obter películas con propiedades ideais. Para a deposición de películas delgadas baseadas en silicio baseadas na tecnoloxía PECVD, se o mecanismo de deposición pode revelarse en profundidade, a taxa de deposición de películas delgadas baseadas en silicio pode aumentar considerablemente coa premisa de garantir as excelentes propiedades físicas dos materiais.
Na actualidade, na investigación de películas delgadas baseadas en silicio, o silano diluído con hidróxeno (SiH4) úsase amplamente como gas de reacción porque hai unha certa cantidade de hidróxeno nas películas delgadas baseadas en silicio. O H xoga un papel moi importante nestas películas. Pode encher as ligazóns colgantes na estrutura do material, reducir en gran medida o nivel de enerxía de defectos e realizar facilmente o control de electróns de valencia dos materiais. Desde que Spear et al. se decataron por primeira vez do efecto de dopaxe das películas delgadas de silicio e prepararon a primeira unión PN en , a investigación sobre a preparación e aplicación de películas delgadas baseadas en silicio baseadas na tecnoloxía PECVD desenvolveuse a pasos axigantados. Polo tanto, a reacción química en películas delgadas baseadas en silicio depositadas mediante tecnoloxía PECVD describirase e analizarase a continuación.
En condicións de descarga luminescente, debido a que os electróns no plasma de silano teñen máis de varios EV de enerxía, o H2 e o SiH4 descompoñeranse cando choquen con electróns, o que pertence á reacción primaria. Se non consideramos os estados excitados intermedios, podemos obter as seguintes reaccións de disociación de sihm (M = 0,1,2,3) con 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)
Segundo a calor estándar de produción das moléculas no estado fundamental, as enerxías necesarias para os procesos de disociación anteriores (2.1) ~ (2.5) son 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV e 4.5 EV respectivamente. Os electróns de alta enerxía no plasma tamén poden sufrir as seguintes reaccións de ionización
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)
A enerxía necesaria para (2.6) ~ (2.9) é de 11,9, 12,3, 13,6 e 15,3 EV respectivamente. Debido á diferenza de enerxía de reacción, a probabilidade das reaccións (2.1) ~ (2.9) é moi desigual. Ademais, o sihm formado co proceso de reacción (2.1) ~ (2.5) sufrirá as seguintes reaccións secundarias para ionizarse, como
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Se a reacción anterior se leva a cabo mediante un proceso dun só electrón, a enerxía necesaria é duns 12 eV ou máis. Tendo en conta que o número de electróns de alta enerxía por riba de 10 ev no plasma debilmente ionizado cunha densidade electrónica de 1010 cm-3 é relativamente pequeno á presión atmosférica (10-100 pa) para a preparación de películas a base de silicio, a probabilidade de ionización acumulada é xeralmente menor que a probabilidade de excitación. Polo tanto, a proporción dos compostos ionizados anteriores no plasma de silano é moi pequena e o grupo neutro de sihm é dominante. Os resultados da análise do espectro de masas tamén proban esta conclusión [8]. Bourquard et al. sinalaron ademais que a concentración de sihm diminuíu na orde de sih3, sih2, Si e SIH, pero a concentración de SiH3 era como máximo tres veces maior que a de SIH. Robertson et al. informaron de que nos produtos neutros de sihm, o silano puro utilizábase principalmente para descargas de alta potencia, mentres que o sih3 se utilizaba principalmente para descargas de baixa potencia. A orde de concentración de maior a menor foi SiH3, SiH, Si, SiH2. Polo tanto, os parámetros do proceso de plasma afectan fortemente á composición dos produtos neutros de siHM.
Ademais das reaccións de disociación e ionización mencionadas, as reaccións secundarias entre moléculas iónicas tamén son moi importantes.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Polo tanto, en termos de concentración de ións, sih3+ é maior que sih2+. Isto pode explicar por que hai máis ións sih3+ que ións sih2+ no plasma de SiH4.
Ademais, haberá unha reacción de colisión de átomos moleculares na que os átomos de hidróxeno do plasma capturan o hidróxeno do SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
É unha reacción exotérmica e un precursor para a formación de Si2H6. Por suposto, estes grupos non só están no estado fundamental, senón que tamén se excitan ao estado excitado no plasma. Os espectros de emisión do plasma de silano mostran que existen estados excitados de transición opticamente admisibles de Si, SIH, h, e estados excitados vibratorios de SiH2, SiH3.
Data de publicación: 07-04-2021