Teknologi dasar pengendapan uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD)

1. Proses utama pengendapan uap kimia yang ditingkatkan plasma

Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) adalah teknologi baru untuk pertumbuhan film tipis melalui reaksi kimia zat gas dengan bantuan plasma lucutan pijar. Karena teknologi PECVD disiapkan dengan lucutan gas, karakteristik reaksi plasma non-ekuilibrium dimanfaatkan secara efektif, dan mode pasokan energi sistem reaksi diubah secara mendasar. Secara umum, ketika teknologi PECVD digunakan untuk menyiapkan film tipis, pertumbuhan film tipis terutama meliputi tiga proses dasar berikut.

Pertama, dalam plasma non-ekuilibrium, 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 secara bersamaan;

Pada akhirnya, semua jenis produk reaksi primer dan sekunder yang mencapai permukaan pertumbuhan akan terserap dan bereaksi dengan permukaan, disertai dengan pelepasan kembali molekul gas.

Secara spesifik, teknologi PECVD yang berbasis metode lucutan pijar dapat membuat gas reaktif terionisasi membentuk plasma di bawah eksitasi medan elektromagnetik eksternal. Dalam plasma lucutan pijar, energi kinetik elektron yang dipercepat oleh medan listrik eksternal biasanya sekitar 10 eV, atau bahkan lebih tinggi, yang cukup untuk menghancurkan ikatan kimia molekul gas reaktif. Oleh karena itu, melalui tumbukan inelastis 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 percepatan lapisan ion dan bertabrakan dengan elektroda atas. Terdapat 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 dekomposisi 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 ion-molekul dan reaksi gugus-molekul karena jalur bebas rata-rata yang pendek. Sifat kimia dari zat aktif kimia (terutama gugus) yang mencapai substrat dan terserap sangat aktif, dan lapisan film terbentuk melalui interaksi di antara zat-zat tersebut.

2. Reaksi kimia dalam plasma

Karena eksitasi gas reaksi dalam proses lucutan pijar terutama disebabkan oleh tumbukan elektron, reaksi elementer dalam plasma sangat beragam, dan interaksi antara plasma dan permukaan padat juga sangat kompleks, yang membuat mekanisme proses PECVD lebih sulit dipelajari. Sejauh ini, banyak sistem reaksi penting telah dioptimalkan melalui eksperimen untuk mendapatkan film dengan sifat ideal. Untuk deposisi film tipis berbasis silikon berdasarkan teknologi PECVD, jika mekanisme deposisi dapat diungkap secara mendalam, laju deposisi film tipis berbasis silikon dapat ditingkatkan secara signifikan dengan tetap memastikan sifat fisik material yang sangat baik.

Saat ini, dalam penelitian film tipis berbasis silikon, silana encer hidrogen (SiH4) banyak digunakan sebagai gas reaksi karena terdapat sejumlah hidrogen dalam film tipis berbasis silikon. H memainkan peran yang sangat penting dalam film tipis berbasis silikon. Ia dapat mengisi ikatan gantung 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 aplikasi film tipis berbasis silikon berdasarkan teknologi PECVD telah berkembang pesat. Oleh karena itu, reaksi kimia dalam film tipis berbasis silikon yang diendapkan dengan teknologi PECVD akan dijelaskan dan dibahas berikut ini.

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

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)

Menurut panas produksi standar 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

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 perbedaan energi reaksi, 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 melalui proses elektron tunggal, energi yang dibutuhkan sekitar 12 eV atau lebih. Mengingat jumlah elektron berenergi tinggi di atas 10 eV dalam plasma terionisasi lemah dengan kerapatan elektron 10¹⁰ cm⁻³ relatif kecil di bawah tekanan atmosfer (10-100 Pa) untuk pembuatan 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 kelompok netral sihm mendominasi. Hasil analisis spektrum massa juga membuktikan kesimpulan ini [8]. Bourquard dkk. 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 dkk. 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 ion 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 molekuler di mana atom hidrogen dalam plasma menangkap hidrogen dalam SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Ini adalah reaksi eksotermik dan prekursor untuk pembentukan Si2H6. Tentu saja, gugus-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.