1. પ્લાઝ્મા ઉન્નત રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપણની મુખ્ય પ્રક્રિયાઓ
પ્લાઝ્મા એન્હાન્સ્ડ કેમિકલ વેપર ડિપોઝિશન (PECVD) એ ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝ્માની મદદથી વાયુયુક્ત પદાર્થોની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દ્વારા પાતળા ફિલ્મોના વિકાસ માટે એક નવી તકનીક છે. કારણ કે PECVD ટેકનોલોજી ગેસ ડિસ્ચાર્જ દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવે છે, તેથી બિન-સંતુલન પ્લાઝ્માની પ્રતિક્રિયા લાક્ષણિકતાઓનો અસરકારક રીતે ઉપયોગ થાય છે, અને પ્રતિક્રિયા પ્રણાલીનો ઊર્જા પુરવઠો મોડ મૂળભૂત રીતે બદલાઈ જાય છે. સામાન્ય રીતે કહીએ તો, જ્યારે PECVD ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ પાતળા ફિલ્મો તૈયાર કરવા માટે થાય છે, ત્યારે પાતળા ફિલ્મોના વિકાસમાં મુખ્યત્વે નીચેની ત્રણ મૂળભૂત પ્રક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે.
પ્રથમ, બિન-સંતુલન પ્લાઝ્મામાં, ઇલેક્ટ્રોન પ્રાથમિક તબક્કામાં પ્રતિક્રિયા વાયુ સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે જેથી પ્રતિક્રિયા વાયુનું વિઘટન થાય અને આયનો અને સક્રિય જૂથોનું મિશ્રણ બને;
બીજું, તમામ પ્રકારના સક્રિય જૂથો ફિલ્મની સપાટી અને દિવાલ પર ફેલાય છે અને પરિવહન કરે છે, અને પ્રતિક્રિયાકારો વચ્ચેની ગૌણ પ્રતિક્રિયાઓ એક જ સમયે થાય છે;
અંતે, વૃદ્ધિ સપાટી સુધી પહોંચતા તમામ પ્રકારના પ્રાથમિક અને ગૌણ પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનો શોષાય છે અને સપાટી સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, તેની સાથે વાયુયુક્ત અણુઓ ફરીથી મુક્ત થાય છે.
ખાસ કરીને, ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પદ્ધતિ પર આધારિત PECVD ટેકનોલોજી બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ક્ષેત્રના ઉત્તેજના હેઠળ પ્રતિક્રિયા ગેસને પ્લાઝ્મા બનાવવા માટે આયનાઇઝ કરી શકે છે. ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝ્મામાં, બાહ્ય ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર દ્વારા વેગ મેળવતા ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા સામાન્ય રીતે લગભગ 10ev અથવા તેનાથી પણ વધુ હોય છે, જે પ્રતિક્રિયાશીલ ગેસ પરમાણુઓના રાસાયણિક બંધનોનો નાશ કરવા માટે પૂરતી છે. તેથી, ઉચ્ચ-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રતિક્રિયાશીલ ગેસ પરમાણુઓની અસ્થિતિસ્થાપક અથડામણ દ્વારા, ગેસ પરમાણુઓ તટસ્થ અણુઓ અને પરમાણુ ઉત્પાદનો ઉત્પન્ન કરવા માટે આયનાઇઝ્ડ અથવા વિઘટિત થશે. સકારાત્મક આયનો આયન સ્તર દ્વારા વેગ પામે છે જે ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રને વેગ આપે છે અને ઉપલા ઇલેક્ટ્રોડ સાથે અથડાય છે. નીચલા ઇલેક્ટ્રોડની નજીક એક નાનું આયન સ્તર ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર પણ છે, તેથી સબસ્ટ્રેટ પર પણ અમુક અંશે આયનો દ્વારા બોમ્બમારો કરવામાં આવે છે. પરિણામે, વિઘટન દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ તટસ્થ પદાર્થ ટ્યુબ દિવાલ અને સબસ્ટ્રેટમાં ફેલાય છે. ડ્રિફ્ટ અને પ્રસરણની પ્રક્રિયામાં, આ કણો અને જૂથો (રાસાયણિક રીતે સક્રિય તટસ્થ અણુઓ અને પરમાણુઓને જૂથ કહેવામાં આવે છે) ટૂંકા સરેરાશ મુક્ત માર્ગને કારણે આયન પરમાણુ પ્રતિક્રિયા અને જૂથ પરમાણુ પ્રતિક્રિયામાંથી પસાર થશે. રાસાયણિક સક્રિય પદાર્થો (મુખ્યત્વે જૂથો) જે સબસ્ટ્રેટ સુધી પહોંચે છે અને શોષાય છે તેમના રાસાયણિક ગુણધર્મો ખૂબ જ સક્રિય હોય છે, અને તેમની વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા ફિલ્મ રચાય છે.
2. પ્લાઝ્મામાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ
ગ્લો ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયામાં પ્રતિક્રિયા ગેસનું ઉત્તેજના મુખ્યત્વે ઇલેક્ટ્રોન અથડામણ હોવાથી, પ્લાઝ્મામાં પ્રાથમિક પ્રતિક્રિયાઓ વિવિધ હોય છે, અને પ્લાઝ્મા અને ઘન સપાટી વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પણ ખૂબ જટિલ હોય છે, જે PECVD પ્રક્રિયાની પદ્ધતિનો અભ્યાસ કરવાનું વધુ મુશ્કેલ બનાવે છે. અત્યાર સુધી, આદર્શ ગુણધર્મો ધરાવતી ફિલ્મો મેળવવા માટે પ્રયોગો દ્વારા ઘણી મહત્વપૂર્ણ પ્રતિક્રિયા પ્રણાલીઓને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવી છે. PECVD ટેકનોલોજી પર આધારિત સિલિકોન-આધારિત પાતળા ફિલ્મોના નિક્ષેપન માટે, જો નિક્ષેપન પદ્ધતિને ઊંડાણપૂર્વક પ્રગટ કરી શકાય, તો સામગ્રીના ઉત્તમ ભૌતિક ગુણધર્મોને સુનિશ્ચિત કરવાના આધારે સિલિકોન-આધારિત પાતળા ફિલ્મોના નિક્ષેપન દરમાં ઘણો વધારો કરી શકાય છે.
હાલમાં, સિલિકોન-આધારિત પાતળા ફિલ્મોના સંશોધનમાં, હાઇડ્રોજન પાતળું સિલેન (SiH4) વ્યાપકપણે પ્રતિક્રિયા ગેસ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે કારણ કે સિલિકોન-આધારિત પાતળા ફિલ્મોમાં ચોક્કસ માત્રામાં હાઇડ્રોજન હોય છે. સિલિકોન-આધારિત પાતળા ફિલ્મોમાં H ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. તે સામગ્રીની રચનામાં લટકતા બંધનો ભરી શકે છે, ખામીયુક્ત ઉર્જા સ્તરને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડી શકે છે, અને સામગ્રીના વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન નિયંત્રણને સરળતાથી અનુભવી શકે છે. ભાલા અને અન્ય લોકોએ સૌપ્રથમ સિલિકોન પાતળા ફિલ્મોની ડોપિંગ અસરને સમજ્યા પછી અને પ્રથમ PN જંકશન તૈયાર કર્યું ત્યારથી, PECVD ટેકનોલોજી પર આધારિત સિલિકોન આધારિત પાતળા ફિલ્મોની તૈયારી અને ઉપયોગ પર સંશોધન કૂદકે ને ભૂસકે વિકસાવવામાં આવ્યું છે. તેથી, PECVD ટેકનોલોજી દ્વારા જમા કરાયેલ સિલિકોન આધારિત પાતળા ફિલ્મોમાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાનું વર્ણન અને ચર્ચા નીચે મુજબ કરવામાં આવશે.
ગ્લો ડિસ્ચાર્જ સ્થિતિમાં, કારણ કે સિલેન પ્લાઝ્મામાં ઇલેક્ટ્રોનમાં ઘણી EV ઊર્જા હોય છે, H2 અને SiH4 ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા અથડાવા પર વિઘટિત થશે, જે પ્રાથમિક પ્રતિક્રિયાનો ભાગ છે. જો આપણે મધ્યવર્તી ઉત્તેજિત સ્થિતિઓને ધ્યાનમાં ન લઈએ, તો આપણે H સાથે સિહમ (M = 0,1,2,3) ની નીચેની વિયોજન પ્રતિક્રિયાઓ મેળવી શકીએ છીએ.
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)
ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ અણુઓના ઉત્પાદનની પ્રમાણભૂત ગરમી અનુસાર, ઉપરોક્ત વિયોજન પ્રક્રિયાઓ (2.1) ~ (2.5) માટે જરૂરી ઊર્જા અનુક્રમે 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV અને 4.5 EV છે. પ્લાઝ્મામાં ઉચ્ચ ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન પણ નીચેની આયનીકરણ પ્રતિક્રિયાઓમાંથી પસાર થઈ શકે છે.
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) માટે જરૂરી ઊર્જા અનુક્રમે 11.9, 12.3, 13.6 અને 15.3 EV છે. પ્રતિક્રિયા ઊર્જાના તફાવતને કારણે, (2.1) ~ (2.9) પ્રતિક્રિયાઓની સંભાવના ખૂબ જ અસમાન છે. વધુમાં, પ્રતિક્રિયા પ્રક્રિયા (2.1) ~ (2.5) સાથે રચાયેલ સિહમ આયનીકરણ માટે નીચેની ગૌણ પ્રતિક્રિયાઓમાંથી પસાર થશે, જેમ કે
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
જો ઉપરોક્ત પ્રતિક્રિયા એક જ ઇલેક્ટ્રોન પ્રક્રિયા દ્વારા કરવામાં આવે છે, તો જરૂરી ઊર્જા લગભગ 12 eV કે તેથી વધુ છે. સિલિકોન-આધારિત ફિલ્મોની તૈયારી માટે વાતાવરણીય દબાણ (10-100pa) હેઠળ 10ev થી ઉપરના ઉચ્ચ-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા પ્રમાણમાં ઓછી છે તે હકીકતને ધ્યાનમાં રાખીને, 1010cm-3 ની ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા સાથે 10ev થી ઉપરના ઉચ્ચ-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા ઉત્તેજનાની સંભાવના કરતા ઓછી હોય છે. તેથી, સિલેન પ્લાઝ્મામાં ઉપરોક્ત આયનાઇઝ્ડ સંયોજનોનું પ્રમાણ ખૂબ નાનું છે, અને સિહમનો તટસ્થ જૂથ પ્રબળ છે. માસ સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષણ પરિણામો પણ આ નિષ્કર્ષને સાબિત કરે છે [8]. બોરક્વાર્ડ એટ અલ. વધુમાં નિર્દેશ કર્યો કે સિહમની સાંદ્રતા sih3, sih2, Si અને SIH ના ક્રમમાં ઘટી હતી, પરંતુ SiH3 ની સાંદ્રતા SIH કરતા વધુમાં વધુ ત્રણ ગણી હતી. રોબર્ટસન એટ અલ. અહેવાલ મુજબ સિહમના તટસ્થ ઉત્પાદનોમાં, શુદ્ધ સિલેનનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ઉચ્ચ-શક્તિના વિસર્જન માટે થતો હતો, જ્યારે સિહ3નો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ઓછી શક્તિના વિસર્જન માટે થતો હતો. ઉચ્ચથી નીચા સુધીની સાંદ્રતાનો ક્રમ SiH3, SiH, Si, SiH2 હતો. તેથી, પ્લાઝ્મા પ્રક્રિયા પરિમાણો સિહમ તટસ્થ ઉત્પાદનોની રચનાને મજબૂત રીતે અસર કરે છે.
ઉપરોક્ત વિયોજન અને આયનીકરણ પ્રતિક્રિયાઓ ઉપરાંત, આયનીય પરમાણુઓ વચ્ચેની ગૌણ પ્રતિક્રિયાઓ પણ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
તેથી, આયન સાંદ્રતાની દ્રષ્ટિએ, sih3 + sih2 + કરતાં વધુ છે. તે સમજાવી શકે છે કે SiH4 પ્લાઝ્મામાં sih2 + આયનો કરતાં sih3 + આયનો કેમ વધુ છે.
વધુમાં, એક પરમાણુ અણુ અથડામણ પ્રતિક્રિયા હશે જેમાં પ્લાઝ્મામાં હાઇડ્રોજન અણુઓ SiH4 માં હાઇડ્રોજનને કેપ્ચર કરશે.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
તે એક ઉષ્માગતિશીલ પ્રતિક્રિયા છે અને si2h6 ની રચના માટે પુરોગામી છે. અલબત્ત, આ જૂથો ફક્ત ભૂમિ સ્થિતિમાં જ નથી, પરંતુ પ્લાઝ્મામાં ઉત્તેજિત અવસ્થામાં પણ ઉત્તેજિત છે. સિલેન પ્લાઝ્માનું ઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રા દર્શાવે છે કે Si, SIH, h ની ઓપ્ટિકલી સ્વીકાર્ય સંક્રમણ ઉત્તેજિત અવસ્થાઓ અને SiH2, SiH3 ની કંપનશીલ ઉત્તેજિત અવસ્થાઓ છે.
પોસ્ટ સમય: એપ્રિલ-૦૭-૨૦૨૧