1. Glavni procesi kemijskog taloženja iz pare pojačanog plazmom
Plazma pojačano kemijsko taloženje iz pare (PECVD) je nova tehnologija za rast tankih filmova kemijskom reakcijom plinovitih tvari uz pomoć plazme s tlijevim izbojem. Budući da se PECVD tehnologija priprema plinskim izbojem, reakcijske karakteristike neravnotežne plazme se učinkovito iskorištavaju, a način opskrbe energijom reakcijskog sustava se temeljno mijenja. Općenito govoreći, kada se PECVD tehnologija koristi za pripremu tankih filmova, rast tankih filmova uglavnom uključuje sljedeća tri osnovna procesa.
Prvo, u neravnotežnoj plazmi, elektroni reagiraju s reakcijskim plinom u primarnoj fazi kako bi razgradili reakcijski plin i formirali smjesu iona i aktivnih skupina;
Drugo, sve vrste aktivnih skupina difundiraju i transportiraju se na površinu i stijenku filma, a sekundarne reakcije između reaktanata odvijaju se istovremeno;
Konačno, sve vrste primarnih i sekundarnih reakcijskih produkata koji dospiju na površinu rasta adsorbiraju se i reagiraju s površinom, uz ponovno oslobađanje plinovitih molekula.
Točnije, PECVD tehnologija temeljena na metodi tlijućeg pražnjenja može ionizirati reakcijski plin i formirati plazmu pod pobudom vanjskog elektromagnetskog polja. U plazmi tlijućeg pražnjenja, kinetička energija elektrona ubrzanih vanjskim električnim poljem obično je oko 10 ev ili čak i više, što je dovoljno da uništi kemijske veze reaktivnih molekula plina. Stoga će se, neelastičnim sudarom visokoenergetskih elektrona i reaktivnih molekula plina, molekule plina ionizirati ili razgraditi kako bi se proizveli neutralni atomi i molekularni produkti. Pozitivni ioni se ubrzavaju ubrzavajućim električnim poljem ionskog sloja i sudaraju se s gornjom elektrodom. U blizini donje elektrode također postoji malo električno polje ionskog sloja, pa je i supstrat donekle bombardiran ionima. Kao rezultat toga, neutralna tvar nastala razgradnjom difundira prema stijenci cijevi i supstratu. U procesu drifta i difuzije, te čestice i skupine (kemijski aktivni neutralni atomi i molekule nazivaju se skupine) podvrgnuti će se reakciji ionskih molekula i reakciji grupnih molekula zbog kratkog prosječnog slobodnog puta. Kemijska svojstva kemijski aktivnih tvari (uglavnom skupina) koje dospiju do podloge i adsorbiraju se vrlo su aktivna, a film nastaje interakcijom između njih.
2. Kemijske reakcije u plazmi
Budući da je pobuđivanje reakcijskog plina u procesu tinjajućeg pražnjenja uglavnom sudar elektrona, elementarne reakcije u plazmi su različite, a interakcija između plazme i čvrste površine je također vrlo složena, što otežava proučavanje mehanizma PECVD procesa. Do sada su mnogi važni reakcijski sustavi optimizirani eksperimentima kako bi se dobili filmovi s idealnim svojstvima. Za taloženje tankih filmova na bazi silicija temeljenih na PECVD tehnologiji, ako se mehanizam taloženja može detaljno otkriti, brzina taloženja tankih filmova na bazi silicija može se uvelike povećati uz pretpostavku osiguranja izvrsnih fizičkih svojstava materijala.
Trenutno se u istraživanju tankih filmova na bazi silicija široko koristi vodikom razrijeđeni silan (SiH4) kao reakcijski plin jer tanki filmovi na bazi silicija sadrže određenu količinu vodika. H2 igra vrlo važnu ulogu u tankim filmovima na bazi silicija. Može popuniti viseće veze u strukturi materijala, uvelike smanjiti razinu energije defekata i lako ostvariti kontrolu valentnih elektrona u materijalima. Otkad su Spear i suradnici prvi shvatili učinak dopiranja tankih filmova na bazi silicija i pripremili prvi PN spoj, istraživanje pripreme i primjene tankih filmova na bazi silicija temeljenih na PECVD tehnologiji napredovalo je skokovito. Stoga će se u nastavku opisati i raspraviti kemijska reakcija u tankim filmovima na bazi silicija deponiranim PECVD tehnologijom.
Pod uvjetima tinjajućeg pražnjenja, budući da elektroni u silanskoj plazmi imaju više od nekoliko EV energije, H2 i SiH4 će se razgraditi kada se sudare s elektronima, što pripada primarnoj reakciji. Ako ne uzmemo u obzir međupobuđena stanja, možemo dobiti sljedeće reakcije disocijacije siHm-a (M = 0,1,2,3) s 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)
Prema standardnoj toplini proizvodnje molekula osnovnog stanja, energije potrebne za gore navedene procese disocijacije (2.1) ~ (2.5) iznose 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV i 4,5 EV. Elektroni visoke energije u plazmi također mogu proći kroz sljedeće reakcije ionizacije
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)
Energija potrebna za (2.6) ~ (2.9) iznosi 11.9, 12.3, 13.6 i 15.3 EV. Zbog razlike u energiji reakcije, vjerojatnost reakcija (2.1) ~ (2.9) je vrlo neravnomjerna. Osim toga, sihm nastao reakcijskim procesom (2.1) ~ (2.5) podvrgnut će se sljedećim sekundarnim reakcijama ionizacije, kao što su
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ako se gornja reakcija provodi pomoću procesa s jednim elektronom, potrebna energija je oko 12 eV ili više. S obzirom na činjenicu da je broj visokoenergetskih elektrona iznad 10 ev u slabo ioniziranoj plazmi s gustoćom elektrona od 1010 cm-3 relativno malen pod atmosferskim tlakom (10-100 Pa) za pripremu filmova na bazi silicija, kumulativna vjerojatnost ionizacije općenito je manja od vjerojatnosti pobuđivanja. Stoga je udio gore navedenih ioniziranih spojeva u silan plazmi vrlo malen, a neutralna skupina sihm-a je dominantna. Rezultati analize masenog spektra također potvrđuju ovaj zaključak [8]. Bourquard i sur. Nadalje su istaknuli da se koncentracija sihm-a smanjivala redoslijedom sih3, sih2, Si i SIH, ali je koncentracija SiH3 bila najviše tri puta veća od koncentracije SIH. Robertson i sur. izvijestili su da se u neutralnim produktima sihm-a čisti silan uglavnom koristio za pražnjenje velike snage, dok se sih3 uglavnom koristio za pražnjenje male snage. Redoslijed koncentracija od visoke do niske bio je SiH3, SiH, Si, SiH2. Stoga parametri plazma procesa snažno utječu na sastav sihm neutralnih produkata.
Uz gore navedene reakcije disocijacije i ionizacije, vrlo su važne i sekundarne reakcije između ionskih molekula
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Stoga je, što se tiče koncentracije iona, sih3+ veći od sih2+. To može objasniti zašto u SiH4 plazmi ima više sih3+ iona nego sih2+ iona.
Osim toga, doći će do reakcije sudara molekularnih atoma u kojoj atomi vodika u plazmi hvataju vodik u SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
To je egzotermna reakcija i prekursor za stvaranje si2h6. Naravno, ove skupine nisu samo u osnovnom stanju, već su i pobuđene u pobuđeno stanje u plazmi. Emisijski spektri silanske plazme pokazuju da postoje optički dopuštena prijelazna pobuđena stanja Si, SIH, h i vibracijska pobuđena stanja SiH2, SiH3
Vrijeme objave: 07.04.2021.