Teknologi dasar deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD)

1. Proses utama deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma

Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) adalah teknologi baru untuk pertumbuhan lapisan tipis melalui reaksi kimia zat gas dengan bantuan plasma pelepasan cahaya. Karena teknologi PECVD disiapkan melalui pelepasan gas, karakteristik reaksi plasma non-keseimbangan digunakan secara efektif, dan mode pasokan energi sistem reaksi berubah secara mendasar. Secara umum, ketika teknologi PECVD digunakan untuk menyiapkan lapisan tipis, pertumbuhan lapisan tipis terutama mencakup tiga proses dasar berikut

Pertama, dalam plasma non-keseimbangan, elektron bereaksi dengan gas reaksi pada tahap primer untuk menguraikan gas reaksi dan membentuk campuran ion dan gugus aktif;

Kedua, semua jenis gugus aktif berdifusi dan berpindah ke permukaan dan dinding film, dan reaksi sekunder antara reaktan terjadi pada saat yang bersamaan;

Akhirnya, semua jenis produk reaksi primer dan sekunder yang mencapai permukaan pertumbuhan diserap dan bereaksi dengan permukaan, disertai dengan pelepasan kembali molekul gas.

Secara khusus, teknologi PECVD berdasarkan metode pelepasan pijar dapat membuat gas reaksi terionisasi untuk membentuk plasma di bawah eksitasi medan elektromagnetik eksternal. Dalam plasma pelepasan pijar, energi kinetik elektron yang dipercepat oleh medan listrik eksternal biasanya sekitar 10ev, atau bahkan lebih tinggi, yang cukup untuk menghancurkan ikatan kimia molekul gas reaktif. Oleh karena itu, melalui tumbukan tak elastis elektron berenergi tinggi dan molekul gas reaktif, molekul gas akan terionisasi atau terurai untuk menghasilkan atom netral dan produk molekuler. Ion positif dipercepat oleh medan listrik yang mempercepat lapisan ion dan bertabrakan dengan elektroda atas. Ada juga medan listrik lapisan ion kecil di dekat elektroda bawah, sehingga substrat juga dibombardir oleh ion sampai batas tertentu. Akibatnya, zat netral yang dihasilkan oleh penguraian berdifusi ke dinding tabung dan substrat. Dalam proses pergeseran dan difusi, partikel dan gugus ini (atom dan molekul netral yang aktif secara kimia disebut gugus) akan mengalami reaksi molekul ion dan reaksi molekul gugus karena lintasan bebas rata-rata yang pendek. Sifat kimia dari zat aktif kimia (terutama kelompok) yang mencapai substrat dan diserap sangat aktif, dan film terbentuk oleh interaksi di antara mereka.

2. Reaksi kimia dalam plasma

Karena eksitasi gas reaksi dalam proses pelepasan pijar terutama merupakan tumbukan elektron, reaksi dasar dalam plasma beragam, dan interaksi antara plasma dan permukaan padat juga sangat kompleks, yang membuatnya lebih sulit untuk mempelajari mekanisme proses PECVD. Sejauh ini, banyak sistem reaksi penting telah dioptimalkan melalui eksperimen untuk memperoleh film dengan sifat ideal. Untuk pengendapan film tipis berbasis silikon berdasarkan teknologi PECVD, jika mekanisme pengendapan dapat diungkapkan secara mendalam, laju pengendapan film tipis berbasis silikon dapat ditingkatkan secara signifikan dengan alasan memastikan sifat fisik material yang sangat baik.

Saat ini, dalam penelitian film tipis berbasis silikon, hidrogen yang diencerkan silana (SiH4) banyak digunakan sebagai gas reaksi karena ada sejumlah hidrogen dalam film tipis berbasis silikon. H memainkan peran yang sangat penting dalam film tipis berbasis silikon. Ia dapat mengisi ikatan yang menggantung dalam struktur material, sangat mengurangi tingkat energi cacat, dan dengan mudah mewujudkan kontrol elektron valensi material. Sejak spear dkk. pertama kali menyadari efek doping film tipis silikon dan menyiapkan sambungan PN pertama, penelitian tentang persiapan dan penerapan film tipis berbasis silikon berdasarkan teknologi PECVD telah berkembang pesat. Oleh karena itu, reaksi kimia dalam film tipis berbasis silikon yang diendapkan oleh teknologi PECVD akan dijelaskan dan dibahas sebagai berikut.

Dalam kondisi pelepasan pijar, karena elektron dalam plasma silana memiliki lebih dari beberapa energi EV, H2 dan SiH4 akan terurai ketika mereka bertabrakan dengan elektron, yang termasuk dalam reaksi primer. Jika kita tidak mempertimbangkan keadaan tereksitasi antara, kita dapat memperoleh reaksi disosiasi sihm berikut (M = 0,1,2,3) dengan 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)

Berdasarkan kalor produksi standar molekul-molekul keadaan dasar, energi yang dibutuhkan untuk proses disosiasi di atas (2.1) ~ (2.5) masing-masing adalah 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV dan 4,5 EV. Elektron berenergi tinggi dalam plasma juga dapat mengalami reaksi ionisasi berikut ini

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)

Energi yang dibutuhkan untuk (2.6) ~ (2.9) masing-masing adalah 11,9, 12,3, 13,6 dan 15,3 EV. Karena adanya perbedaan energi reaksi, maka probabilitas reaksi (2.1) ~ (2.9) sangat tidak merata. Selain itu, sihm yang terbentuk dengan proses reaksi (2.1) ~ (2.5) akan mengalami reaksi sekunder berikut untuk terionisasi, seperti:

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Jika reaksi di atas dilakukan dengan proses elektron tunggal, energi yang dibutuhkan adalah sekitar 12 eV atau lebih. Mengingat fakta bahwa jumlah elektron berenergi tinggi di atas 10ev dalam plasma terionisasi lemah dengan kerapatan elektron 1010cm-3 relatif kecil di bawah tekanan atmosfer (10-100pa) untuk persiapan film berbasis silikon, probabilitas ionisasi kumulatif umumnya lebih kecil daripada probabilitas eksitasi. Oleh karena itu, proporsi senyawa terionisasi di atas dalam plasma silana sangat kecil, dan gugus netral sihm dominan. Hasil analisis spektrum massa juga membuktikan kesimpulan ini [8]. Bourquard et al. Lebih lanjut menunjukkan bahwa konsentrasi sihm menurun dalam urutan sih3, sih2, Si dan SIH, tetapi konsentrasi SiH3 paling banyak tiga kali lipat dari SIH. Robertson et al. melaporkan bahwa dalam produk netral sihm, silana murni terutama digunakan untuk pelepasan daya tinggi, sedangkan sih3 terutama digunakan untuk pelepasan daya rendah. Urutan konsentrasi dari tinggi ke rendah adalah SiH3, SiH, Si, SiH2. Oleh karena itu, parameter proses plasma sangat memengaruhi komposisi produk netral sihm.

Selain reaksi disosiasi dan ionisasi di atas, reaksi sekunder antara molekul ionik juga sangat penting

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Oleh karena itu, dalam hal konsentrasi ion, SiH3+ lebih banyak daripada SiH2+. Hal ini dapat menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak ion SiH3+ daripada ion SiH2+ dalam plasma SiH4.

Selain itu akan terjadi reaksi tumbukan atom molekul dimana atom hidrogen dalam plasma menangkap hidrogen dalam SiH4

H+SiH4→SiH3+H2 (2,14)

Reaksi ini merupakan reaksi eksotermik dan prekursor pembentukan si2h6. Tentu saja, gugus ini tidak hanya berada dalam keadaan dasar, tetapi juga tereksitasi ke keadaan tereksitasi dalam plasma. Spektrum emisi plasma silana menunjukkan bahwa terdapat keadaan tereksitasi transisi yang dapat diterima secara optik dari Si, SIH, h, dan keadaan tereksitasi vibrasi dari SiH2, SiH3.