Teknologi dhasar deposisi uap kimia sing ditingkatake plasma (PECVD)

1. Proses utama deposisi uap kimia sing ditingkatake plasma

Deposisi uap kimia sing ditingkatake plasma (PECVD) minangka teknologi anyar kanggo pertumbuhan film tipis kanthi reaksi kimia zat gas kanthi bantuan plasma pelepasan cahaya. Amarga teknologi PECVD disiapake kanthi pelepasan gas, karakteristik reaksi plasma non-keseimbangan digunakake kanthi efektif, lan mode pasokan energi sistem reaksi diganti kanthi dhasar. Umumé, nalika teknologi PECVD digunakake kanggo nyiyapake film tipis, pertumbuhan film tipis utamane kalebu telung proses dhasar ing ngisor iki.

Kapisan, ing plasma non-kesetimbangan, elektron bereaksi karo gas reaksi ing tahap utama kanggo ngurai gas reaksi lan mbentuk campuran ion lan gugus aktif;

Kapindho, kabeh jinis gugus aktif nyebar lan diangkut menyang permukaan lan tembok film, lan reaksi sekunder antarane reaktan kedadeyan bebarengan;

Pungkasanipun, sadaya jinis produk reaksi primer lan sekunder ingkang dumugi ing lumah pertumbuhan dipunserep lan reaksi kaliyan lumah, dipunsarengi kaliyan pelepasan malih molekul gas.

Khususé, teknologi PECVD sing adhedhasar metode glow discharge bisa ngionisasi gas reaksi kanggo mbentuk plasma ing sangisoré eksitasi medan elektromagnetik njaba. Ing plasma glow discharge, energi kinetik elektron sing dipercepat déning medan listrik njaba biasane udakara 10ev, utawa malah luwih dhuwur, sing cukup kanggo ngrusak ikatan kimia molekul gas reaktif. Mulane, liwat tabrakan inelastis elektron energi dhuwur lan molekul gas reaktif, molekul gas bakal terionisasi utawa diurai kanggo ngasilaké atom netral lan produk molekul. Ion positif dipercepat déning lapisan ion sing nyepetake medan listrik lan tabrakan karo elektroda ndhuwur. Ana uga medan listrik lapisan ion cilik cedhak elektroda ngisor, mula substrat uga dibombardir déning ion nganti sawetara tingkat. Akibaté, zat netral sing diasilaké déning dekomposisi nyebar menyang dinding tabung lan substrat. Ing proses hanyutan lan difusi, partikel lan gugus iki (atom lan molekul netral sing aktif sacara kimia diarani gugus) bakal ngalami reaksi molekul ion lan reaksi molekul gugus amarga jalur bebas rata-rata sing cendhak. Sifat kimia saka zat aktif kimia (utamane gugus) sing tekan substrat lan diserap iku aktif banget, lan film kasebut dibentuk saka interaksi antarane.

2. Reaksi kimia ing plasma

Amarga eksitasi gas reaksi ing proses pelepasan cahya utamane tabrakan elektron, reaksi dhasar ing plasma maneka warna, lan interaksi antarane plasma lan permukaan padat uga rumit banget, sing ndadekake luwih angel kanggo nyinaoni mekanisme proses PECVD. Nganti saiki, akeh sistem reaksi penting sing wis dioptimalake dening eksperimen kanggo entuk film kanthi sifat sing ideal. Kanggo deposisi film tipis berbasis silikon adhedhasar teknologi PECVD, yen mekanisme deposisi bisa diungkap kanthi jero, tingkat deposisi film tipis berbasis silikon bisa tambah akeh kanthi premis kanggo njamin sifat fisik bahan sing apik banget.

Saiki, ing riset film tipis berbasis silikon, silane hidrogen encer (SiH4) digunakake sacara wiyar minangka gas reaksi amarga ana jumlah hidrogen tartamtu ing film tipis berbasis silikon. H nduweni peran penting banget ing film tipis berbasis silikon. Iki bisa ngisi ikatan sing nggantung ing struktur material, nyuda tingkat energi cacat kanthi signifikan, lan kanthi gampang nggayuh kontrol elektron valensi material. Wiwit Spear et al. pisanan nyadari efek doping film tipis silikon lan nyiapake sambungan PN pisanan ing taun 2000, riset babagan persiapan lan aplikasi film tipis berbasis silikon adhedhasar teknologi PECVD wis dikembangake kanthi cepet. Mulane, reaksi kimia ing film tipis berbasis silikon sing diendapkan dening teknologi PECVD bakal diterangake lan dibahas ing ngisor iki.

Ing kahanan pelepasan cahya, amarga elektron ing plasma silana duwe luwih saka sawetara energi EV, H2 lan SiH4 bakal bosok nalika tabrakan karo elektron, sing kalebu reaksi utama. Yen kita ora nimbang kahanan tereksitasi menengah, kita bisa entuk reaksi disosiasi sihm (M = 0,1,2,3) karo H ing ngisor iki.

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)

Miturut panas standar produksi molekul kahanan dhasar, energi sing dibutuhake kanggo proses disosiasi ing ndhuwur (2.1) ~ (2.5) yaiku 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV lan 4.5 EV. Elektron energi dhuwur ing plasma uga bisa ngalami reaksi ionisasi ing ngisor iki.

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 sing dibutuhake kanggo (2.6) ~ (2.9) yaiku 11.9, 12.3, 13.6 lan 15.3 EV. Amarga bedane energi reaksi, kemungkinan reaksi (2.1) ~ (2.9) ora rata banget. Kajaba iku, sihm sing dibentuk karo proses reaksi (2.1) ~ (2.5) bakal ngalami reaksi sekunder ing ngisor iki kanggo ngionisasi, kayata

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Yen reaksi ing ndhuwur ditindakake kanthi proses elektron tunggal, energi sing dibutuhake udakara 12 eV utawa luwih. Amarga jumlah elektron energi dhuwur ing ndhuwur 10ev ing plasma terionisasi lemah kanthi kapadhetan elektron 1010cm-3 relatif cilik ing tekanan atmosfer (10-100pa) kanggo nyiapake film berbasis silikon, probabilitas ionisasi kumulatif umume luwih cilik tinimbang probabilitas eksitasi. Mulane, proporsi senyawa terionisasi ing ndhuwur ing plasma silana cilik banget, lan gugus netral sihm dominan. Asil analisis spektrum massa uga mbuktekake kesimpulan iki [8]. Bourquard et al. Luwih lanjut nedahake manawa konsentrasi sihm mudhun ing urutan sih3, sih2, Si lan SIH, nanging konsentrasi SiH3 paling akeh kaping telu saka SIH. Robertson et al. Nglaporake manawa ing produk netral sihm, silana murni utamane digunakake kanggo debit daya dhuwur, dene sih3 utamane digunakake kanggo debit daya rendah. Urutan konsentrasi saka dhuwur nganti endhek yaiku SiH3, SiH, Si, SiH2. Mulane, parameter proses plasma nduweni pengaruh gedhe marang komposisi produk netral sihm.

Saliyané reaksi disosiasi lan ionisasi ing ndhuwur, reaksi sekunder antar molekul ionik uga penting banget.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Mulane, saka segi konsentrasi ion, sih3 + luwih akeh tinimbang sih2 +. Iki bisa nerangake kenapa ana luwih akeh ion sih3 + tinimbang ion sih2 + ing plasma SiH4.

Kajaba iku, bakal ana reaksi tabrakan atom molekuler ing ngendi atom hidrogen ing plasma nangkep hidrogen ing SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Iki minangka reaksi eksotermik lan prekursor kanggo pembentukan si2h6. Mesthi wae, gugus iki ora mung ana ing kahanan dasar, nanging uga tereksitasi menyang kahanan tereksitasi ing plasma. Spektrum emisi plasma silana nuduhake yen ana kahanan tereksitasi transisi sing bisa ditampa sacara optik saka Si, SIH, h, lan kahanan tereksitasi getaran saka SiH2, SiH3.