1. Helstu ferli plasma-aukinnar efnagufuútfellingar
Plasma-enhanced chemical gufuútfelling (PECVD) er ný tækni til að rækta þunnfilmur með efnahvörfum loftkenndra efna með hjálp glóðarútfellingarplasma. Þar sem PECVD tækni er framleidd með gasútfellingu eru hvarfeiginleikar ójafnvægisplasma nýttir á áhrifaríkan hátt og orkuframleiðsluháttur hvarfkerfisins breytist grundvallaratriðum. Almennt séð, þegar PECVD tækni er notuð til að búa til þunnfilmur, felur vöxtur þunnfilma aðallega í sér eftirfarandi þrjú grunnferli.
Í fyrsta lagi, í ójafnvægisplasma, hvarfast rafeindir við hvarfgasið í aðalstigi til að brjóta niður hvarfgasið og mynda blöndu af jónum og virkum hópum;
Í öðru lagi dreifast alls kyns virkir hópar og berast að yfirborði og vegg filmunnar, og aukahvörfin milli hvarfefnanna eiga sér stað á sama tíma;
Að lokum eru alls kyns frum- og aukaafurðir hvarfs sem ná til vaxtaryfirborðsins aðsogaðar og hvarfast við yfirborðið, ásamt því að gaskenndar sameindir losna aftur.
Nánar tiltekið getur PECVD tækni, sem byggir á glóðarútfellingaraðferð, látið hvarfgas jónast og mynda plasma undir áhrifum ytri rafsegulsviðs. Í glóðarútfellingarplasma er hreyfiorka rafeinda sem hraðast af ytri rafsviði venjulega um 10 EV, eða jafnvel hærri, sem er nóg til að eyðileggja efnatengi hvarfgjarnra gassameinda. Þess vegna, vegna óteygjanlegra árekstra háorku rafeinda og hvarfgjarnra gassameinda, verða gassameindirnar jónaðar eða sundraðar til að mynda hlutlaus atóm og sameindaafurðir. Jákvæðu jónirnar eru hraðaðar af jónlagshraðaraflsviðinu og rekast á efri rafskautið. Það er einnig lítið rafsvið jónlags nálægt neðri rafskautinu, þannig að undirlagið verður einnig að einhverju leyti fyrir jónaárás. Fyrir vikið dreifist hlutlausa efnið sem myndast við niðurbrotið að rörveggnum og undirlaginu. Í reki og dreifingu munu þessar agnir og hópar (efnafræðilega virk hlutlaus atóm og sameindir eru kallaðar hópar) gangast undir jónasameindaviðbrögð og hópsameindaviðbrögð vegna stuttrar meðalfrjálsrar leiðar. Efnafræðilegir eiginleikar efnafræðilega virku efnanna (aðallega hópanna) sem ná til undirlagsins og eru aðsogaðir eru mjög virkir og himnan myndast við víxlverkun þeirra á milli.
2. Efnafræðileg viðbrögð í plasma
Þar sem örvun hvarfgassins í glóútfellingarferlinu er aðallega rafeindaárekstur, eru grunnviðbrögðin í plasma fjölbreytt og samspil plasmasins og fasta yfirborðsins er einnig mjög flókið, sem gerir það erfiðara að rannsaka verkunarháttur PECVD-ferlisins. Hingað til hafa mörg mikilvæg hvarfkerfi verið fínstillt með tilraunum til að fá filmur með kjöreiginleikum. Fyrir útfellingu kísill-byggðra þunnfilma byggðar á PECVD-tækni, ef hægt er að sýna útfellingarferlið ítarlega, er hægt að auka útfellingarhraða kísill-byggðra þunnfilma til muna með því að tryggja framúrskarandi eðliseiginleika efnanna.
Í rannsóknum á þunnum filmum úr kísil er vetnisþynnt sílan (SiH4) mikið notað sem hvarfgas vegna þess að ákveðið magn af vetni er í þunnum filmum úr kísil. H2 gegnir mjög mikilvægu hlutverki í þunnum filmum úr kísil. Það getur fyllt upp í lausar tengi í efnisbyggingu, dregið verulega úr orkugöllum og auðveldlega náð stjórn á gildisrafeindum efnanna. Frá því að Spear o.fl. gerðu sér fyrst grein fyrir lyfjaáhrifum þunnra filmu úr kísil og bjuggu til fyrstu PN-tenginguna árið 2000, hefur rannsókn á undirbúningi og notkun þunnra filmu úr kísil sem byggðar eru á PECVD tækni þróast gríðarlega. Þess vegna verður efnahvörfum í þunnum filmum úr kísil sem settar eru á með PECVD tækni lýst og rætt hér á eftir.
Við glóðarútskriftarskilyrði, þar sem rafeindirnar í sílanplasmanum hafa meira en nokkrar EV orkur, munu H2 og SiH4 sundrast þegar þau rekast á rafeindir, sem tilheyrir frumviðbrögðunum. Ef við tökum ekki tillit til milliörvuðu ástandanna getum við fengið eftirfarandi sundrunarviðbrögð sihm (M = 0,1,2,3) með 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)
Samkvæmt staðlaðri framleiðsluvarma sameinda í grunnástandi eru orkurnar sem þarf fyrir ofangreind sundrunarferli (2.1) ~ (2.5) 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV og 4,5 EV, talið í sömu röð. Orkuríkar rafeindir í plasma geta einnig gengist undir eftirfarandi jónunarviðbrögð
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)
Orkan sem þarf fyrir (2.6) ~ (2.9) er 11,9, 12,3, 13,6 og 15,3 EV, talið í sömu röð. Vegna mismunar á hvarforkunni eru líkurnar á (2.1) ~ (2.9) viðbrögðum mjög ójöfn. Að auki mun sími sem myndast við viðbragðsferlið (2.1) ~ (2.5) gangast undir eftirfarandi aukaviðbrögð til að jónast, svo sem
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ef ofangreind viðbrögð eru framkvæmd með einni rafeindaaðferð er orkan sem þarf um 12 eV eða meira. Þar sem fjöldi orkuríkra rafeinda yfir 10 ev í veikt jónuðu plasma með rafeindaþéttleika 1010 cm-3 er tiltölulega lítill við andrúmsloftsþrýsting (10-100 Pa) til að búa til kísilfilmur, eru líkurnar á uppsafnaðri jónun almennt minni en örvunarlíkurnar. Þess vegna er hlutfall ofangreindra jónaðra efnasambanda í silanplasma mjög lítið og hlutlausi hópurinn af sihm er ríkjandi. Niðurstöður massagreiningar staðfesta einnig þessa niðurstöðu [8]. Bourquard o.fl. bentu enn fremur á að styrkur sihm minnkaði í röð sih3, sih2, Si og SIH, en styrkur SiH3 var í mesta lagi þrisvar sinnum meiri en SIH. Robertson o.fl. greindu frá því að í hlutlausum afurðum sihm var hreint silan aðallega notað fyrir aflmikið útskrift, en sih3 var aðallega notað fyrir aflmikið útskrift. Styrkleiki var í röð frá háum til lágum styrk: SiH3, SiH, Si, SiH2. Þess vegna hafa plasmaferilsbreyturnar mikil áhrif á samsetningu hlutlausra sihm-afurða.
Auk ofangreindra sundrunar- og jónunarviðbragða eru aukaviðbrögð milli jónískra sameinda einnig mjög mikilvæg.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Þess vegna, hvað varðar jónaþéttni, er sih3+ meiri en sih2+. Það getur skýrt hvers vegna það eru fleiri sih3+ jónir en sih2+ jónir í SiH4 plasma.
Að auki verður árekstrarviðbrögð sameindaatóma þar sem vetnisatómin í plasmanu fanga vetnið í SiH4.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Þetta er útverm viðbrögð og undanfari myndunar si2h6. Þessir hópar eru auðvitað ekki aðeins í grunnástandi, heldur einnig örvaðir í örvað ástand í plasma. Útgeislunarróf sílanplasma sýna að það eru ljósfræðilega leyfileg örvuð ástand fyrir Si, SIH, h og titringsörvuð ástand fyrir SiH2, SiH3.
Birtingartími: 7. apríl 2021