טכנולוגיה בסיסית של שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה (PECVD)

1. תהליכים עיקריים של שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה

שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה (PECVD) היא טכנולוגיה חדשה לגידול שכבות דקות על ידי תגובה כימית של חומרים גזיים בעזרת פלזמה של פריקת זוהר. מכיוון שטכנולוגיית PECVD מוכנה על ידי פריקת גז, מאפייני התגובה של פלזמה שאינה בשיווי משקל מנוצלים ביעילות, ואופן אספקת האנרגיה של מערכת התגובה משתנה באופן מהותי. באופן כללי, כאשר משתמשים בטכנולוגיית PECVD להכנת שכבות דקות, גידול שכבות דקות כולל בעיקר את שלושת התהליכים הבסיסיים הבאים.

ראשית, בפלזמה שאינה בשיווי משקל, אלקטרונים מגיבים עם גז התגובה בשלב הראשוני כדי לפרק את גז התגובה וליצור תערובת של יונים וקבוצות פעילות;

שנית, כל מיני קבוצות פעילות מתפזרות ומועברות אל פני השטח ודופן הסרט, והתגובות המשניות בין המגיבים מתרחשות בו זמנית;

לבסוף, כל מיני תוצרי תגובה ראשוניים ומשניים המגיעים לפני השטח של הגידול נספגים ומגיבים עם פני השטח, מלווים בשחרור חוזר של מולקולות גזיות.

באופן ספציפי, טכנולוגיית PECVD המבוססת על שיטת פריקת זוהר יכולה לגרום לגז התגובה ליינן וליצור פלזמה תחת עירור של שדה אלקטרומגנטי חיצוני. בפלזמת פריקת זוהר, האנרגיה הקינטית של אלקטרונים המואצים על ידי שדה חשמלי חיצוני היא בדרך כלל כ-10ev, או אפילו גבוהה יותר, וזה מספיק כדי להרוס את הקשרים הכימיים של מולקולות גז ריאקטיביות. לכן, באמצעות התנגשות לא אלסטית של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה ומולקולות גז ריאקטיביות, מולקולות הגז ייוננו או יתפרקו ליצירת אטומים ניטרליים ותוצרים מולקולריים. היונים החיוביים מואצים על ידי שכבת היונים המאיצה את השדה החשמלי ומתנגשים באלקטרודה העליונה. ישנו גם שדה חשמלי קטן של שכבת יונים ליד האלקטרודה התחתונה, כך שהמצע גם הוא מופגז במידה מסוימת על ידי יונים. כתוצאה מכך, החומר הנייטרלי המיוצר על ידי הפירוק מתפזר לדופן הצינור והמצע. בתהליך הסחיפה והדיפוזיה, חלקיקים וקבוצות אלה (האטומים והמולקולות הנייטרליות הפעילים כימית נקראים קבוצות) יעברו תגובת מולקולת יונים ותגובת מולקולת קבוצתית עקב המסלול החופשי הממוצע הקצר. התכונות הכימיות של החומרים הפעילים הכימיים (בעיקר קבוצות) המגיעים למצע ונספגים הן פעילות מאוד, והסרט נוצר על ידי האינטראקציה ביניהם.

2. תגובות כימיות בפלזמה

מכיוון שעירור גז התגובה בתהליך פריקת הזוהר הוא בעיקר התנגשות אלקטרונים, התגובות האלמנטריות בפלזמה מגוונות, והאינטראקציה בין הפלזמה למשטח המוצק מורכבת מאוד, מה שמקשה על לימוד מנגנון תהליך PECVD. עד כה, מערכות תגובה חשובות רבות עברו אופטימיזציה באמצעות ניסויים כדי להשיג סרטים בעלי תכונות אידיאליות. עבור שיקוע של סרטים דקים מבוססי סיליקון המבוססים על טכנולוגיית PECVD, אם ניתן לחשוף לעומק את מנגנון השיקוע, ניתן להגדיל מאוד את קצב השיקוע של סרטים דקים מבוססי סיליקון על בסיס הבטחת תכונות פיזיקליות מצוינות של חומרים.

כיום, במחקר של שכבות דקות מבוססות סיליקון, סילאן מדולל במימן (SiH4) נמצא בשימוש נרחב כגז תגובה מכיוון שיש כמות מסוימת של מימן בשכבות הדקות מבוססות סיליקון. H ממלא תפקיד חשוב מאוד בשכבות הדקות מבוססות סיליקון. הוא יכול למלא את הקשרים התלויים במבנה החומר, להפחית במידה ניכרת את רמת האנרגיה של הפגם, ולממש בקלות את בקרת האלקטרונים הערכיים של החומרים. מאז שספיר ועמיתיו הבינו לראשונה את אפקט הסימום של שכבות דקות מבוססות סיליקון והכינו את צומת ה-PN הראשון בשנת , המחקר על הכנה ויישום של שכבות דקות מבוססות סיליקון המבוססות על טכנולוגיית PECVD התפתח בצעדי ענק. לכן, התגובה הכימית בשכבות דקות מבוססות סיליקון שהופקדו בטכנולוגיית PECVD תתואר ותדונו בהמשך.

בתנאי פריקת זוהר, מכיוון שלאלקטרונים בפלזמת הסילאן יש יותר ממספר אנרגיות EV, H2 ו-SiH4 יתפרקו כאשר הם יתנגשו באלקטרונים, וזהו תפקיד התגובה הראשונית. אם לא ניקח בחשבון את המצבים המעוררים הביניים, נוכל לקבל את תגובות הדיסוציאציה הבאות של sihm (M = 0,1,2,3) עם 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)

לפי חום הייצור הסטנדרטי של מולקולות במצב יסוד, האנרגיות הנדרשות לתהליכי הדיסוציאציה הנ"ל (2.1) ~ (2.5) הן 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ו-4.5 EV בהתאמה. אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה בפלזמה יכולים גם לעבור את תגובות היינון הבאות

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)

האנרגיה הנדרשת עבור (2.6) ~ (2.9) היא 11.9, 12.3, 13.6 ו-15.3 EV בהתאמה. עקב ההבדל באנרגיית התגובה, ההסתברות לתגובות (2.1) ~ (2.9) אינה אחידה מאוד. בנוסף, הסיהם שנוצר בתהליך התגובה (2.1) ~ (2.5) יעבור את התגובות המשניות הבאות כדי ליינן, כגון

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

אם התגובה הנ"ל מתבצעת באמצעות תהליך של אלקטרונים בודדים, האנרגיה הנדרשת היא כ-12 eV או יותר. לאור העובדה שמספר האלקטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה מעל 10ev בפלזמה מיוננת חלשה עם צפיפות אלקטרונים של 1010cm-3 הוא קטן יחסית תחת לחץ אטמוספרי (10-100pa) להכנת סרטים מבוססי סיליקון, הסתברות היינון המצטברת קטנה בדרך כלל מהסתברות העירור. לכן, חלקם של התרכובות המיוננות הנ"ל בפלזמת הסילאן הוא קטן מאוד, והקבוצה הנייטרלית של sihm היא הדומיננטית. תוצאות ניתוח ספקטרום המסה גם מוכיחות מסקנה זו [8]. בורקוארד ועמיתיו ציינו עוד כי ריכוז ה-sihm ירד בסדר גודל של sih3, sih2, Si ו-SIH, אך ריכוז ה-SiH3 היה לכל היותר פי שלושה מזה של SIH. רוברטסון ועמיתיו דיווחו כי בתוצרים הנייטרליים של sihm, סילאן טהור שימש בעיקר לפריקה בהספק גבוה, בעוד ש-sih3 שימש בעיקר לפריקה בהספק נמוך. סדר הריכוזים מהגבוה לנמוך היה SiH3, SiH, Si, SiH2. לכן, פרמטרי תהליך הפלזמה משפיעים מאוד על הרכב התוצרים הנייטרליים של sihm.

בנוסף לתגובות הדיסוציאציה והיינון הנ"ל, גם התגובות המשניות בין מולקולות יוניות חשובות מאוד.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

לכן, מבחינת ריכוז יונים, sih3+ גדול מ-sih2+. זה יכול להסביר מדוע יש יותר יוני sih3+ מאשר יוני sih2+ בפלזמה של SiH4.

בנוסף, תהיה תגובת התנגשות של אטומים מולקולריים שבה אטומי המימן בפלזמה לוכדים את המימן ב-SiH4

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

זוהי תגובה אקסותרמית ומהווה קודמן להיווצרות si2h6. כמובן, קבוצות אלו אינן רק במצב יסוד, אלא גם מעוררות למצב מעורר בפלזמה. ספקטרום הפליטה של ​​פלזמת סילאן מראה שישנם מצבי מעבר מעוררים קבילים אופטית של Si, SIH, h, ומצבי ויברציה מעוררים של SiH2, SiH3.