प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प निक्षेपण (PECVD) की बुनियादी तकनीक

1. प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प निक्षेपण की मुख्य प्रक्रियाएँ

प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प निक्षेपण (PECVD) एक नई तकनीक है जिसका उपयोग ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मा की सहायता से गैसीय पदार्थों की रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा पतली फिल्मों के निर्माण के लिए किया जाता है। PECVD तकनीक गैस डिस्चार्ज द्वारा तैयार की जाती है, इसलिए इसमें असंतुलित प्लाज्मा की प्रतिक्रिया विशेषताओं का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है और प्रतिक्रिया प्रणाली की ऊर्जा आपूर्ति विधि में मौलिक परिवर्तन होता है। सामान्यतः, PECVD तकनीक का उपयोग पतली फिल्मों के निर्माण में मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन मूलभूत प्रक्रियाएं शामिल होती हैं।

सबसे पहले, गैर-संतुलित प्लाज्मा में, इलेक्ट्रॉन प्राथमिक चरण में प्रतिक्रिया गैस के साथ प्रतिक्रिया करके प्रतिक्रिया गैस को विघटित करते हैं और आयनों और सक्रिय समूहों का मिश्रण बनाते हैं;

दूसरे, सभी प्रकार के सक्रिय समूह फैलते हैं और फिल्म की सतह और दीवार तक पहुंचते हैं, और अभिकारकों के बीच द्वितीयक प्रतिक्रियाएं एक ही समय में होती हैं;

अंततः, वृद्धि सतह तक पहुंचने वाले सभी प्रकार के प्राथमिक और द्वितीयक प्रतिक्रिया उत्पाद सतह द्वारा अवशोषित हो जाते हैं और सतह के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिसके साथ गैसीय अणुओं का पुनः उत्सर्जन होता है।

विशेष रूप से, ग्लो डिस्चार्ज विधि पर आधारित PECVD तकनीक बाहरी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के प्रभाव में प्रतिक्रिया गैस को आयनित करके प्लाज्मा उत्पन्न कर सकती है। ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मा में, बाहरी विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा आमतौर पर लगभग 10ev या उससे भी अधिक होती है, जो प्रतिक्रियाशील गैस अणुओं के रासायनिक बंधों को तोड़ने के लिए पर्याप्त है। इसलिए, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों और प्रतिक्रियाशील गैस अणुओं के अप्रत्यास्थ टकराव के माध्यम से, गैस अणु आयनित या विघटित होकर उदासीन परमाणु और आणविक उत्पाद बनाते हैं। धनात्मक आयन आयन परत के त्वरित विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित होते हैं और ऊपरी इलेक्ट्रोड से टकराते हैं। निचले इलेक्ट्रोड के पास भी एक छोटा आयन परत विद्युत क्षेत्र होता है, इसलिए सब्सट्रेट पर भी कुछ हद तक आयनों की बौछार होती है। परिणामस्वरूप, विघटन से उत्पन्न उदासीन पदार्थ ट्यूब की दीवार और सब्सट्रेट तक फैल जाता है। बहाव और प्रसार की प्रक्रिया में, ये कण और समूह (रासायनिक रूप से सक्रिय उदासीन परमाणुओं और अणुओं को समूह कहा जाता है) कम औसत मुक्त पथ के कारण आयन-अणु अभिक्रिया और समूह-अणु अभिक्रिया से गुजरते हैं। सब्सट्रेट तक पहुंचने वाले और अवशोषित होने वाले रासायनिक रूप से सक्रिय पदार्थों (मुख्य रूप से समूहों) के रासायनिक गुण बहुत सक्रिय होते हैं, और फिल्म का निर्माण उनके बीच की परस्पर क्रिया से होता है।

2. प्लाज्मा में रासायनिक अभिक्रियाएँ

ग्लो डिस्चार्ज प्रक्रिया में अभिक्रियाशील गैस का उत्तेजन मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन टकराव के कारण होता है, इसलिए प्लाज्मा में होने वाली प्राथमिक अभिक्रियाएँ विविध होती हैं, और प्लाज्मा तथा ठोस सतह के बीच की अंतःक्रिया भी अत्यंत जटिल होती है, जिससे पीईसीवीडी प्रक्रिया की क्रियाविधि का अध्ययन करना अधिक कठिन हो जाता है। अब तक, आदर्श गुणों वाली फ़िल्में प्राप्त करने के लिए प्रयोगों द्वारा कई महत्वपूर्ण अभिक्रिया प्रणालियों को अनुकूलित किया गया है। पीईसीवीडी तकनीक पर आधारित सिलिकॉन-आधारित पतली फ़िल्मों के निक्षेपण के लिए, यदि निक्षेपण क्रियाविधि को गहराई से समझा जा सके, तो सामग्री के उत्कृष्ट भौतिक गुणों को सुनिश्चित करते हुए सिलिकॉन-आधारित पतली फ़िल्मों की निक्षेपण दर को काफी बढ़ाया जा सकता है।

वर्तमान में, सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों के अनुसंधान में, हाइड्रोजन युक्त सिलान (SiH4) का व्यापक रूप से अभिक्रिया गैस के रूप में उपयोग किया जाता है क्योंकि सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों में हाइड्रोजन की एक निश्चित मात्रा मौजूद होती है। H सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह पदार्थ संरचना में अवलंग बंधों को भर सकता है, दोष ऊर्जा स्तर को काफी हद तक कम कर सकता है, और आसानी से पदार्थों के संयोजी इलेक्ट्रॉन नियंत्रण को साकार कर सकता है। स्पीयर एट अल. द्वारा सिलिकॉन पतली फिल्मों के डोपिंग प्रभाव को पहली बार महसूस करने और पहले पीएन जंक्शन को तैयार करने के बाद से, पीईसीवीडी तकनीक पर आधारित सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों के निर्माण और अनुप्रयोग पर अनुसंधान में तेजी से प्रगति हुई है। इसलिए, पीईसीवीडी तकनीक द्वारा जमा की गई सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों में रासायनिक प्रतिक्रिया का आगे वर्णन और चर्चा की जाएगी।

ग्लो डिस्चार्ज की स्थिति में, क्योंकि सिलान प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा कई EV से अधिक होती है, इसलिए इलेक्ट्रॉनों से टकराने पर H2 और SiH4 विघटित हो जाते हैं, जो प्राथमिक अभिक्रिया का हिस्सा है। यदि हम मध्यवर्ती उत्तेजित अवस्थाओं पर विचार न करें, तो हमें H के साथ SiH4 (M = 0,1,2,3) की निम्नलिखित वियोजन अभिक्रियाएँ प्राप्त होती हैं।

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)

ग्राउंड स्टेट अणुओं की मानक उत्पादन ऊष्मा के अनुसार, उपरोक्त वियोजन प्रक्रियाओं (2.1) ~ (2.5) के लिए आवश्यक ऊर्जाएँ क्रमशः 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV और 4.5 EV हैं। प्लाज्मा में उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन निम्नलिखित आयनीकरण प्रतिक्रियाओं से भी गुजर सकते हैं।

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) के लिए आवश्यक ऊर्जा क्रमशः 11.9, 12.3, 13.6 और 15.3 EV है। अभिक्रिया ऊर्जा में अंतर के कारण, (2.1) ~ (2.9) अभिक्रियाओं की संभावना बहुत असमान है। इसके अतिरिक्त, अभिक्रिया प्रक्रिया (2.1) ~ (2.5) से निर्मित SIHM आयनीकरण के लिए निम्नलिखित द्वितीयक अभिक्रियाओं से गुजरेगा, जैसे कि

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

यदि उपरोक्त अभिक्रिया एकल इलेक्ट्रॉन प्रक्रिया द्वारा की जाती है, तो आवश्यक ऊर्जा लगभग 12 eV या उससे अधिक होती है। इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि सिलिकॉन-आधारित फिल्मों की तैयारी के लिए वायुमंडलीय दबाव (10-100pa) के तहत 10¹⁰ cm⁻³ के इलेक्ट्रॉन घनत्व वाले दुर्बल आयनित प्लाज्मा में 10 eV से ऊपर के उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की संख्या अपेक्षाकृत कम होती है, संचयी आयनीकरण संभावना आम तौर पर उत्तेजना संभावना से कम होती है। इसलिए, सिलान प्लाज्मा में उपरोक्त आयनित यौगिकों का अनुपात बहुत कम होता है, और SiH₃ का उदासीन समूह प्रमुख होता है। द्रव्यमान स्पेक्ट्रम विश्लेषण के परिणाम भी इस निष्कर्ष को सिद्ध करते हैं [8]। बोरक्वार्ड एट अल. ने आगे बताया कि SiH₃ की सांद्रता SiH₃, SiH₂, Si और SiH के क्रम में घटती है, लेकिन SiH₃ की सांद्रता SiH की तुलना में अधिकतम तीन गुना होती है। रॉबर्टसन एट अल. रिपोर्ट में बताया गया है कि SIHM के उदासीन उत्पादों में, उच्च-शक्ति निर्वहन के लिए मुख्य रूप से शुद्ध सिलान का उपयोग किया गया था, जबकि निम्न-शक्ति निर्वहन के लिए मुख्य रूप से SiH3 का उपयोग किया गया था। सांद्रता का क्रम उच्च से निम्न की ओर SiH3, SiH, Si, SiH2 था। इसलिए, प्लाज्मा प्रक्रिया के मापदंड SIHM के उदासीन उत्पादों की संरचना को अत्यधिक प्रभावित करते हैं।

उपरोक्त वियोजन और आयनीकरण अभिक्रियाओं के अतिरिक्त, आयनिक अणुओं के बीच होने वाली द्वितीयक अभिक्रियाएँ भी अत्यंत महत्वपूर्ण हैं।

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

अतः, आयन सांद्रता के संदर्भ में, SiH3+ की मात्रा SiH2+ से अधिक है। इससे यह स्पष्ट होता है कि SiH4 प्लाज्मा में SiH2+ आयनों की तुलना में SiH3+ आयन अधिक क्यों होते हैं।

इसके अतिरिक्त, एक आणविक-परमाणु टकराव प्रतिक्रिया होगी जिसमें प्लाज्मा में मौजूद हाइड्रोजन परमाणु SiH4 में मौजूद हाइड्रोजन को ग्रहण कर लेंगे।

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

यह एक ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया है और Si2H6 के निर्माण का अग्रदूत है। बेशक, ये समूह न केवल ग्राउंड स्टेट में होते हैं, बल्कि प्लाज्मा में उत्तेजित अवस्था में भी पहुँच जाते हैं। सिलान प्लाज्मा के उत्सर्जन स्पेक्ट्रा से पता चलता है कि Si, SiH, h की प्रकाशीय रूप से स्वीकार्य संक्रमण उत्तेजित अवस्थाएँ और SiH2, SiH3 की कंपन उत्तेजित अवस्थाएँ मौजूद हैं।