प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प निक्षेपण (पीईसीवीडी) की बुनियादी प्रौद्योगिकी

1. प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव की मुख्य प्रक्रियाएं

प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव (PECVD) ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मा की मदद से गैसीय पदार्थों की रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा पतली फिल्मों के विकास के लिए एक नई तकनीक है। क्योंकि PECVD तकनीक गैस डिस्चार्ज द्वारा तैयार की जाती है, गैर-संतुलन प्लाज्मा की प्रतिक्रिया विशेषताओं का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है, और प्रतिक्रिया प्रणाली की ऊर्जा आपूर्ति मोड को मौलिक रूप से बदल दिया जाता है। आम तौर पर, जब PECVD तकनीक का उपयोग पतली फिल्मों को तैयार करने के लिए किया जाता है, तो पतली फिल्मों के विकास में मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन बुनियादी प्रक्रियाएँ शामिल होती हैं

सबसे पहले, गैर-संतुलन प्लाज्मा में, इलेक्ट्रॉन प्राथमिक चरण में प्रतिक्रिया गैस के साथ प्रतिक्रिया करते हैं ताकि प्रतिक्रिया गैस को विघटित किया जा सके और आयनों और सक्रिय समूहों का मिश्रण बनाया जा सके;

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

अंत में, वृद्धि सतह पर पहुंचने वाले सभी प्रकार के प्राथमिक और द्वितीयक प्रतिक्रिया उत्पाद 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 उत्तेजना के तहत प्लाज्मा बनाने के लिए प्रतिक्रिया गैस को आयनित 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 बंधनों को नष्ट करने के लिए पर्याप्त है। इसलिए, उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों और प्रतिक्रियाशील गैस अणुओं की अकुशल टक्कर के माध्यम से, गैस के अणु तटस्थ परमाणुओं और आणविक उत्पादों का उत्पादन करने के लिए आयनित या विघटित हो जाएंगे। सकारात्मक आयन आयन परत के त्वरित विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित होते हैं और ऊपरी इलेक्ट्रोड से टकराते हैं। निचले इलेक्ट्रोड के पास एक छोटा आयन परत विद्युत क्षेत्र भी होता है, इसलिए सब्सट्रेट पर भी कुछ हद तक आयनों की बमबारी होती है। नतीजतन, अपघटन द्वारा उत्पादित तटस्थ पदार्थ ट्यूब की दीवार और सब्सट्रेट में फैल जाता है। बहाव और प्रसार की प्रक्रिया में, ये कण और समूह (रासायनिक रूप से सक्रिय तटस्थ परमाणु और अणु समूह कहलाते हैं) छोटे औसत मुक्त पथ के कारण आयन अणु प्रतिक्रिया और समूह अणु प्रतिक्रिया से गुजरेंगे। रासायनिक सक्रिय पदार्थों (मुख्य रूप से समूह) के रासायनिक गुण जो सब्सट्रेट तक पहुंचते हैं और अवशोषित होते हैं, बहुत सक्रिय होते हैं, और फिल्म उनके बीच बातचीत से बनती है।

2. प्लाज्मा में रासायनिक प्रतिक्रियाएं

क्योंकि ग्लो डिस्चार्ज प्रक्रिया में प्रतिक्रिया गैस का उत्तेजना मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन टकराव है, प्लाज्मा में प्राथमिक प्रतिक्रियाएं विभिन्न हैं, और प्लाज्मा और ठोस सतह के बीच बातचीत भी बहुत जटिल है, जो PECVD प्रक्रिया के तंत्र का अध्ययन करना अधिक कठिन बनाता है। अब तक, आदर्श गुणों वाली फिल्मों को प्राप्त करने के लिए प्रयोगों द्वारा कई महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया प्रणालियों को अनुकूलित किया गया है। PECVD तकनीक पर आधारित सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों के जमाव के लिए, यदि जमाव तंत्र को गहराई से प्रकट किया जा सकता है, तो सामग्री के उत्कृष्ट भौतिक गुणों को सुनिश्चित करने के आधार पर सिलिकॉन-आधारित पतली फिल्मों की जमाव दर को बहुत बढ़ाया जा सकता है।

वर्तमान में, सिलिकॉन आधारित पतली फिल्मों के अनुसंधान में, हाइड्रोजन पतला सिलेन (SiH4) का व्यापक रूप से प्रतिक्रिया गैस के रूप में उपयोग किया जाता है क्योंकि सिलिकॉन आधारित पतली फिल्मों में एक निश्चित मात्रा में हाइड्रोजन होता है। सिलिकॉन आधारित पतली फिल्मों में H एक बहुत ही महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह सामग्री संरचना में झूलने वाले बंधनों को भर सकता है, दोष ऊर्जा स्तर को बहुत कम कर सकता है, और आसानी से सामग्रियों के वैलेंस इलेक्ट्रॉन नियंत्रण का एहसास कर सकता है। चूंकि स्पीयर एट अल। ने पहली बार सिलिकॉन पतली फिल्मों के डोपिंग प्रभाव का एहसास किया और पहला पीएन जंक्शन तैयार किया, PECVD तकनीक पर आधारित सिलिकॉन आधारित पतली फिल्मों की तैयारी और अनुप्रयोग पर अनुसंधान में तेजी से विकास हुआ है। इसलिए, PECVD तकनीक द्वारा जमा सिलिकॉन आधारित पतली फिल्मों में रासायनिक प्रतिक्रिया का वर्णन और चर्चा निम्नलिखित में की जाएगी।

ग्लो डिस्चार्ज की स्थिति में, क्योंकि सिलेन प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉनों में कई EV ऊर्जा से अधिक होती है, H2 और SiH4 इलेक्ट्रॉनों द्वारा टकराने पर विघटित हो जाएंगे, जो प्राथमिक प्रतिक्रिया से संबंधित है। यदि हम मध्यवर्ती उत्तेजित अवस्थाओं पर विचार नहीं करते हैं, तो हम H के साथ sihm (M = 0,1,2,3) की निम्नलिखित पृथक्करण प्रतिक्रियाएँ प्राप्त कर सकते हैं

ई+SiH4→SiH2+H2+ई (2.1)

ई+SiH4→SiH3+ H+ई (2.2)

ई+SiH4→Si+2H2+ई (2.3)

ई+SiH4→SiH+H2+H+ई (2.4)

ई+H2→2H+ई (2.5)

निम्नतम अवस्था अणुओं के उत्पादन की मानक ऊष्मा के अनुसार, उपरोक्त पृथक्करण 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 अभिक्रियाओं से भी गुजर सकते हैं

ई+SiH4→SiH2++H2+2e (2.6)

ई+SiH4→SiH3++ H+2e (2.7)

ई+SiH4→Si++2H2+2e (2.8)

ई+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। प्रतिक्रिया ऊर्जा के अंतर के कारण, (2.1) ~ (2.9) प्रतिक्रियाओं की संभावना बहुत असमान है। इसके अलावा, प्रतिक्रिया प्रक्रिया (2.1) ~ (2.5) के साथ गठित सिहम आयनित करने के लिए निम्नलिखित माध्यमिक प्रतिक्रियाओं से गुजरेगा, जैसे कि

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

यदि उपर्युक्त प्रतिक्रिया एकल इलेक्ट्रॉन प्रक्रिया के माध्यम से की जाती है, तो आवश्यक ऊर्जा लगभग 12 eV या अधिक है। इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि 1010cm-3 के इलेक्ट्रॉन घनत्व वाले कमजोर आयनित प्लाज्मा में 10ev से ऊपर उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या सिलिकॉन आधारित फिल्मों की तैयारी के लिए वायुमंडलीय दबाव (10-100pa) के तहत अपेक्षाकृत कम है, संचयी आयनीकरण की संभावना आम तौर पर उत्तेजना की संभावना से छोटी होती है। इसलिए, सिलेन प्लाज्मा में उपरोक्त आयनित यौगिकों का अनुपात बहुत छोटा है, और सिहम का तटस्थ समूह प्रमुख है। द्रव्यमान स्पेक्ट्रम विश्लेषण के परिणाम भी इस निष्कर्ष को साबित करते हैं [8]। बॉर्क्वार्ड एट अल। ने आगे बताया कि सिहम की सांद्रता sih3, sih2, Si और SIH के क्रम में कम हुई, रिपोर्ट में बताया गया है कि sihm के तटस्थ उत्पादों में, शुद्ध सिलेन का उपयोग मुख्य रूप से उच्च-शक्ति निर्वहन के लिए किया जाता था, जबकि sih3 का उपयोग मुख्य रूप से कम-शक्ति निर्वहन के लिए किया जाता था। उच्च से निम्न तक सांद्रता का क्रम SiH3, SiH, Si, SiH2 था। इसलिए, प्लाज्मा प्रक्रिया पैरामीटर sihm तटस्थ उत्पादों की संरचना को दृढ़ता से प्रभावित करते हैं।

उपरोक्त पृथक्करण और आयनीकरण प्रतिक्रियाओं के अलावा, आयनिक अणुओं के बीच द्वितीयक प्रतिक्रियाएं भी बहुत महत्वपूर्ण हैं

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

इसलिए, आयन सांद्रता के संदर्भ में, sih3 + sih2 + से अधिक है। यह समझा सकता है कि SiH4 प्लाज्मा में sih2 + आयनों की तुलना में sih3 + आयन अधिक क्यों हैं।

इसके अलावा, एक आणविक परमाणु टकराव प्रतिक्रिया होगी जिसमें प्लाज्मा में हाइड्रोजन परमाणु SiH4 में हाइड्रोजन को पकड़ लेंगे

एच+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

यह एक ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया है और si2h6 के निर्माण के लिए एक अग्रदूत है। बेशक, ये समूह न केवल जमीनी अवस्था में हैं, बल्कि प्लाज्मा में उत्तेजित अवस्था में भी उत्तेजित होते हैं। सिलेन प्लाज्मा के उत्सर्जन स्पेक्ट्रा से पता चलता है कि Si, SIH, h की ऑप्टिकली स्वीकार्य संक्रमण उत्तेजित अवस्थाएँ और SiH2, SiH3 की कंपन उत्तेजित अवस्थाएँ हैं।