1. Պլազմայով ուժեղացված քիմիական գոլորշիների նստեցման հիմնական գործընթացները
Պլազմայով ուժեղացված քիմիական գոլորշիների նստեցումը (PECVD) բարակ թաղանթների աճեցման նոր տեխնոլոգիա է գազային նյութերի քիմիական ռեակցիայի միջոցով՝ լուսարձակող պլազմայի օգնությամբ: Քանի որ PECVD տեխնոլոգիան պատրաստվում է գազի արտանետմամբ, արդյունավետորեն օգտագործվում են ոչ հավասարակշռված պլազմայի ռեակցիայի բնութագրերը, և ռեակցիայի համակարգի էներգիայի մատակարարման ռեժիմը հիմնարար կերպով փոխվում է: Ընդհանուր առմամբ, երբ PECVD տեխնոլոգիան օգտագործվում է բարակ թաղանթներ պատրաստելու համար, բարակ թաղանթների աճեցումը հիմնականում ներառում է հետևյալ երեք հիմնական գործընթացները:
Նախ, ոչ հավասարակշռված պլազմայում էլեկտրոնները ռեակցիայի մեջ են մտնում ռեակցիոն գազի հետ առաջնային փուլում՝ քայքայելով ռեակցիոն գազը և առաջացնելով իոնների և ակտիվ խմբերի խառնուրդ։
Երկրորդ, բոլոր տեսակի ակտիվ խմբերը դիֆուզվում և տեղափոխվում են թաղանթի մակերես և պատ, և ռեակտիվների միջև երկրորդային ռեակցիաները տեղի են ունենում միաժամանակ։
Վերջապես, աճի մակերեսին հասնող բոլոր տեսակի առաջնային և երկրորդային ռեակցիայի արգասիքները ադսորբվում են և ռեակցիայի մեջ են մտնում մակերեսի հետ, ինչին ուղեկցում են գազային մոլեկուլների վերարտադրությունը։
Մասնավորապես, լուսարձակման մեթոդի վրա հիմնված PECVD տեխնոլոգիան կարող է իոնացնել ռեակցիայի գազը՝ արտաքին էլեկտրամագնիսական դաշտի գրգռման տակ պլազմա առաջացնելով: Լուսարձակման պլազմայում արտաքին էլեկտրական դաշտով արագացված էլեկտրոնների կինետիկ էներգիան սովորաբար մոտ 10ev է կամ նույնիսկ ավելի բարձր, ինչը բավարար է ռեակտիվ գազի մոլեկուլների քիմիական կապերը ոչնչացնելու համար: Հետևաբար, բարձր էներգիայի էլեկտրոնների և ռեակտիվ գազի մոլեկուլների ոչ առաձգական բախման միջոցով գազի մոլեկուլները կիոնացվեն կամ կքայքայվեն՝ առաջացնելով չեզոք ատոմներ և մոլեկուլային արտադրանքներ: Դրական իոնները արագանում են իոնային շերտի արագացնող էլեկտրական դաշտով և բախվում են վերին էլեկտրոդին: Ստորին էլեկտրոդի մոտ կա նաև փոքր իոնային շերտի էլեկտրական դաշտ, ուստի ենթաշերտը որոշ չափով նույնպես ռմբակոծվում է իոններով: Արդյունքում, քայքայման արդյունքում առաջացած չեզոք նյութը դիֆուզվում է խողովակի պատին և ենթաշերտին: Դրիֆինգի և դիֆուզիայի գործընթացում այս մասնիկները և խմբերը (քիմիապես ակտիվ չեզոք ատոմներն ու մոլեկուլները կոչվում են խմբեր) կենթարկվեն իոնային մոլեկուլային ռեակցիայի և խմբային մոլեկուլային ռեակցիայի՝ կարճ միջին ազատ ուղու պատճառով: Հիմքին հասնող և ադսորբվող քիմիական ակտիվ նյութերի (հիմնականում խմբերի) քիմիական հատկությունները շատ ակտիվ են, և թաղանթը ձևավորվում է դրանց միջև փոխազդեցության արդյունքում։
2. Քիմիական ռեակցիաներ պլազմայում
Քանի որ լուսարձակման պարպման գործընթացում ռեակցիայի գազի գրգռումը հիմնականում էլեկտրոնների բախում է, պլազմայում տարրական ռեակցիաները բազմազան են, և պլազմայի և պինդ մակերևույթի փոխազդեցությունը նույնպես շատ բարդ է, ինչը դժվարացնում է PECVD գործընթացի մեխանիզմի ուսումնասիրությունը: Մինչ օրս շատ կարևոր ռեակցիայի համակարգեր օպտիմալացվել են փորձերի միջոցով՝ իդեալական հատկություններով թաղանթներ ստանալու համար: PECVD տեխնոլոգիայի վրա հիմնված սիլիցիումային բարակ թաղանթների նստեցման համար, եթե նստեցման մեխանիզմը խորը բացահայտվի, սիլիցիումային բարակ թաղանթների նստեցման արագությունը կարող է զգալիորեն մեծանալ՝ նյութերի գերազանց ֆիզիկական հատկություններն ապահովելու նախադրյալի հիման վրա:
Ներկայումս սիլիցիումային բարակ թաղանթների հետազոտություններում որպես ռեակցիայի գազ լայնորեն օգտագործվում է ջրածնով նոսրացված սիլանը (SiH4), քանի որ սիլիցիումային բարակ թաղանթներում կա որոշակի քանակությամբ ջրածին: H-ը շատ կարևոր դեր է խաղում սիլիցիումային բարակ թաղանթներում: Այն կարող է լրացնել նյութի կառուցվածքում կախված կապերը, զգալիորեն նվազեցնել արատի էներգիայի մակարդակը և հեշտությամբ իրականացնել նյութերի վալենտային էլեկտրոնային կառավարումը: Քանի որ Սփիրը և այլք առաջին անգամ իրականացրին սիլիցիումային բարակ թաղանթների լեգիրման ազդեցությունը և պատրաստեցին առաջին PN միացումը, PECVD տեխնոլոգիայի վրա հիմնված սիլիցիումային բարակ թաղանթների պատրաստման և կիրառման հետազոտությունները զարգացել են թռիչքաձև: Հետևաբար, PECVD տեխնոլոգիայով նստեցված սիլիցիումային բարակ թաղանթների քիմիական ռեակցիան կնկարագրվի և կքննարկվի ստորև:
Լույսի պարպման պայմաններում, քանի որ սիլանային պլազմայի էլեկտրոններն ունեն մի քանի EV-ից ավելի էներգիա, H2-ը և SiH4-ը կքայքայվեն, երբ դրանք բախվեն էլեկտրոնների հետ, ինչը պատկանում է առաջնային ռեակցիային։ Եթե չհաշվի առնենք միջանկյալ գրգռված վիճակները, կարող ենք ստանալ sihm-ի (M = 0,1,2,3) հետևյալ դիսոցիացիայի ռեակցիաները H-ի հետ։
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)
Հիմնական վիճակի մոլեկուլների առաջացման ստանդարտ ջերմության համաձայն, վերը նշված դիսոցիացիայի պրոցեսների (2.1) ~ (2.5) համար անհրաժեշտ էներգիաները համապատասխանաբար 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV և 4.5 EV են։ Պլազմայում բարձր էներգիայի էլեկտրոնները կարող են նաև ենթարկվել հետևյալ իոնացման ռեակցիաներին։
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) ռեակցիաների համար անհրաժեշտ էներգիան համապատասխանաբար 11.9, 12.3, 13.6 և 15.3 EV է: Ռեակցիայի էներգիայի տարբերության պատճառով (2.1) ~ (2.9) ռեակցիաների հավանականությունը շատ անհավասար է: Բացի այդ, (2.1) ~ (2.5) ռեակցիայի ընթացքում առաջացած սիմը կենթարկվի հետևյալ երկրորդային ռեակցիաներին՝ իոնացնելու համար, ինչպիսիք են՝
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Եթե վերը նշված ռեակցիան իրականացվում է մեկ էլեկտրոնային պրոցեսի միջոցով, ապա անհրաժեշտ էներգիան կազմում է մոտ 12 էՎ կամ ավելի։ Հաշվի առնելով այն փաստը, որ 1010 սմ-3 էլեկտրոնային խտությամբ թույլ իոնացված պլազմայում 10ev-ից բարձր բարձր էներգիայի էլեկտրոնների քանակը համեմատաբար փոքր է մթնոլորտային ճնշման (10-100պա) տակ՝ սիլիցիումային հիմքով թաղանթների պատրաստման համար, կուտակային իոնացման հավանականությունը, որպես կանոն, փոքր է գրգռման հավանականությունից։ Հետևաբար, վերը նշված իոնացված միացությունների համամասնությունը սիլանային պլազմայում շատ փոքր է, և sihm-ի չեզոք խումբը գերիշխող է։ Զանգվածային սպեկտրի վերլուծության արդյունքները նույնպես ապացուցում են այս եզրակացությունը [8]: Բուրքարդը և այլք նաև նշել են, որ sihm-ի կոնցենտրացիան նվազել է sih3, sih2, Si և SIH կարգով, բայց SiH3-ի կոնցենտրացիան առավելագույնը երեք անգամ գերազանցում է SIH-ին։ Ռոբերտսոնը և այլք հայտնել են, որ sihm-ի չեզոք արգասիքներում մաքուր սիլանը հիմնականում օգտագործվել է բարձր հզորության լիցքաթափման համար, մինչդեռ sih3-ը՝ հիմնականում օգտագործվել է ցածր հզորության լիցքաթափման համար։ Կոնցենտրացիայի կարգը՝ բարձրից ցածր, հետևյալն էր՝ SiH3, SiH, Si, SiH2: Հետևաբար, պլազմային պրոցեսի պարամետրերը ուժեղ ազդեցություն ունեն sihm չեզոք արտադրանքի կազմի վրա:
Բացի վերը նշված դիսոցիացիայի և իոնացման ռեակցիաներից, իոնային մոլեկուլների միջև երկրորդային ռեակցիաները նույնպես շատ կարևոր են։
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Հետևաբար, իոնների կոնցենտրացիայի առումով, sih3 + -ը ավելի մեծ է, քան sih2 + -ը։ Սա կարող է բացատրել, թե ինչու SiH4 պլազմայում sih3 + իոններն ավելի շատ են, քան sih2 + իոնները։
Բացի այդ, տեղի կունենա մոլեկուլային ատոմների բախման ռեակցիա, որի ընթացքում պլազմայի ջրածնի ատոմները կգրավեն SiH4-ի ջրածինը։
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Այն էկզոթերմ ռեակցիա է և si2h6-ի առաջացման նախորդ։ Իհարկե, այս խմբերը ոչ միայն գտնվում են հիմնական վիճակում, այլև պլազմայում գրգռված են մինչև գրգռված վիճակ։ Սիլանային պլազմայի ճառագայթման սպեկտրները ցույց են տալիս, որ կան Si, SIH, h-ի օպտիկապես ընդունելի անցումային գրգռված վիճակներ և SiH2, SiH3-ի տատանողական գրգռված վիճակներ։
Հրապարակման ժամանակը. Ապրիլ-07-2021