1. პლაზმურად გაძლიერებული ქიმიური ორთქლის დეპონირების ძირითადი პროცესები
პლაზმურად გაძლიერებული ქიმიური ორთქლის დეპონირება (PECVD) არის თხელი ფენების ზრდის ახალი ტექნოლოგია აირადი ნივთიერებების ქიმიური რეაქციით, ნათების გამონადენის პლაზმის დახმარებით. რადგან PECVD ტექნოლოგია მზადდება აირის გამონადენის მეთოდით, არათანაბარი პლაზმის რეაქციის მახასიათებლები ეფექტურად გამოიყენება და რეაქციის სისტემის ენერგომომარაგების რეჟიმი ფუნდამენტურად იცვლება. ზოგადად, როდესაც PECVD ტექნოლოგია გამოიყენება თხელი ფენების დასამზადებლად, თხელი ფენების ზრდა ძირითადად მოიცავს შემდეგ სამ ძირითად პროცესს.
პირველ რიგში, არათანაბარი პლაზმაში, ელექტრონები პირველად სტადიაზე რეაგირებენ რეაქციის აირთან, რათა დაშალონ რეაქციის აირი და შექმნან იონებისა და აქტიური ჯგუფების ნარევი;
მეორეც, ყველა სახის აქტიური ჯგუფი დიფუზირდება და ტრანსპორტირდება აპკის ზედაპირზე და კედელზე, ხოლო რეაქტანტებს შორის მეორადი რეაქციები ერთდროულად ხდება;
და ბოლოს, ზრდის ზედაპირამდე მიღწეული ყველა სახის პირველადი და მეორადი რეაქციის პროდუქტი ადსორბირებულია და რეაგირებს ზედაპირთან, რასაც თან ახლავს აირისებრი მოლეკულების ხელახლა გამოთავისუფლება.
კერძოდ, PECVD ტექნოლოგია, რომელიც დაფუძნებულია მბზინავი განმუხტვის მეთოდზე, გარე ელექტრომაგნიტური ველის აგზნების ქვეშ რეაქციის აირის იონიზაციას პლაზმის წარმოსაქმნელად ახდენს. მბზინავი განმუხტვის პლაზმაში, გარე ელექტრული ველით აჩქარებული ელექტრონების კინეტიკური ენერგია, როგორც წესი, დაახლოებით 10 ev-ია, ან კიდევ უფრო მაღალი, რაც საკმარისია რეაქტიული აირის მოლეკულების ქიმიური ბმების გასანადგურებლად. ამიტომ, მაღალი ენერგიის ელექტრონებისა და რეაქტიული აირის მოლეკულების არაელასტიური შეჯახების შედეგად, აირის მოლეკულები იონიზდება ან იშლება ნეიტრალური ატომებისა და მოლეკულური პროდუქტების წარმოქმნით. დადებითი იონები აჩქარებულია იონური ფენის ამაჩქარებელი ელექტრული ველით და ეჯახება ზედა ელექტროდს. ქვედა ელექტროდის მახლობლად ასევე არის მცირე იონური ფენის ელექტრული ველი, ამიტომ სუბსტრატი გარკვეულწილად იონებით იბომბება. შედეგად, დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ნეიტრალური ნივთიერება დიფუზირდება მილის კედელსა და სუბსტრატში. დრიფტისა და დიფუზიის პროცესში, ეს ნაწილაკები და ჯგუფები (ქიმიურად აქტიურ ნეიტრალურ ატომებსა და მოლეკულებს ჯგუფებს უწოდებენ) მოკლე საშუალო თავისუფალი გზის გამო განიცდიან იონურ-მოლეკულურ რეაქციას და ჯგუფურ-მოლეკულურ რეაქციას. სუბსტრატამდე მიმავალი და ადსორბირებული ქიმიური აქტიური ნივთიერებების (ძირითადად ჯგუფების) ქიმიური თვისებები ძალიან აქტიურია და აპკი მათ შორის ურთიერთქმედებით წარმოიქმნება.
2. ქიმიური რეაქციები პლაზმაში
რადგან რეაქციის აირის აგზნება ნათების განმუხტვის პროცესში ძირითადად ელექტრონების შეჯახებით ხდება, პლაზმაში ელემენტარული რეაქციები მრავალფეროვანია და პლაზმასა და მყარ ზედაპირს შორის ურთიერთქმედებაც ძალიან რთულია, რაც PECVD პროცესის მექანიზმის შესწავლას ართულებს. ჯერჯერობით, ექსპერიმენტებით ოპტიმიზირებულია მრავალი მნიშვნელოვანი რეაქციის სისტემა იდეალური თვისებების მქონე ფირების მისაღებად. PECVD ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული სილიციუმის თხელი ფირების დეპონირებისთვის, თუ დეპონირების მექანიზმი ღრმად გამოვლინდება, მასალების შესანიშნავი ფიზიკური თვისებების უზრუნველყოფის წინაპირობით, სილიციუმის თხელი ფირების დეპონირების სიჩქარე მნიშვნელოვნად შეიძლება გაიზარდოს.
ამჟამად, სილიციუმზე დაფუძნებული თხელი ფენების კვლევაში, წყალბადით განზავებული სილანი (SiH4) ფართოდ გამოიყენება რეაქციის აირად, რადგან სილიციუმზე დაფუძნებულ თხელ ფენებში წყალბადის გარკვეული რაოდენობაა. H ძალიან მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სილიციუმზე დაფუძნებულ თხელ ფენებში. მას შეუძლია შეავსოს ჩამოკიდებული ბმები მასალის სტრუქტურაში, მნიშვნელოვნად შეამციროს დეფექტის ენერგიის დონე და მარტივად განახორციელოს მასალების ვალენტური ელექტრონული კონტროლი. მას შემდეგ, რაც სპირმა და სხვებმა პირველად გააცნობიერეს სილიციუმის თხელი ფენების დოპირების ეფექტი და მოამზადეს პირველი PN შეერთება, PECVD ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული სილიციუმზე დაფუძნებული თხელი ფენების მომზადებისა და გამოყენების კვლევა ძალიან სწრაფად განვითარდა. ამიტომ, PECVD ტექნოლოგიით დალექილ სილიციუმზე დაფუძნებულ თხელ ფენებში ქიმიური რეაქცია აღწერილი და განხილული იქნება ქვემოთ.
სილანის პლაზმაში ელექტრონებს რამდენიმე EV-ზე მეტი ენერგია აქვთ, ამიტომ ელექტრონების შეჯახებისას H2 და SiH4 იშლება, რაც პირველად რეაქციას მიეკუთვნება. თუ არ გავითვალისწინებთ შუალედურ აგზნებულ მდგომარეობებს, შეგვიძლია მივიღოთ sihm-ის (M = 0,1,2,3) H-თან შემდეგი დისოციაციის რეაქციები:
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)
ძირითადი მდგომარეობის მოლეკულების წარმოქმნის სტანდარტული სითბოს მიხედვით, ზემოთ აღწერილი დისოციაციის პროცესებისთვის (2.1) ~ (2.5) საჭირო ენერგიები შესაბამისად 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV და 4.5 EV-ია. პლაზმაში მაღალი ენერგიის ელექტრონებს ასევე შეუძლიათ შემდეგი იონიზაციის რეაქციების გავლა:
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)
(2.6) ~ (2.9)-ისთვის საჭირო ენერგია შესაბამისად 11.9, 12.3, 13.6 და 15.3 EV-ია. რეაქციის ენერგიების სხვაობის გამო, (2.1) ~ (2.9) რეაქციების ალბათობა ძალიან არათანაბარია. გარდა ამისა, (2.1) ~ (2.5) რეაქციის პროცესით წარმოქმნილი სიჰმი იონიზაციისთვის შემდეგ მეორად რეაქციებს გაივლის, როგორიცაა
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
თუ ზემოთ აღნიშნული რეაქცია ერთელექტრონული პროცესით ხორციელდება, საჭირო ენერგია დაახლოებით 12 eV ან მეტია. იმის გათვალისწინებით, რომ სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული ფირების მოსამზადებლად სუსტად იონიზებულ პლაზმაში 1010 სმ-3 ელექტრონული სიმკვრივით 10 ev-ზე მეტი მაღალი ენერგიის ელექტრონების რაოდენობა შედარებით მცირეა ატმოსფერული წნევის (10-100pa) ქვეშ, კუმულაციური იონიზაციის ალბათობა ზოგადად უფრო მცირეა, ვიდრე აგზნების ალბათობა. ამიტომ, სილანის პლაზმაში ზემოთ მოცემული იონიზებული ნაერთების პროპორცია ძალიან მცირეა და sihm-ის ნეიტრალური ჯგუფი დომინანტურია. მასის სპექტრის ანალიზის შედეგებიც ადასტურებს ამ დასკვნას [8]. ბურკარდი და სხვ. ასევე აღნიშნავენ, რომ sihm-ის კონცენტრაცია შემცირდა sih3, sih2, Si და SIH-ის თანმიმდევრობით, მაგრამ SiH3-ის კონცენტრაცია მაქსიმუმ სამჯერ მეტი იყო, ვიდრე SIH-ის. რობერტსონი და სხვ. აღნიშნავენ, რომ sihm-ის ნეიტრალურ პროდუქტებში სუფთა სილანი ძირითადად გამოიყენებოდა მაღალი სიმძლავრის განმუხტვისთვის, ხოლო sih3 ძირითადად დაბალი სიმძლავრის განმუხტვისთვის. კონცენტრაციის თანმიმდევრობა მაღალიდან დაბალამდე იყო SiH3, SiH, Si, SiH2. ამიტომ, პლაზმური პროცესის პარამეტრები ძლიერ გავლენას ახდენს sihm ნეიტრალური პროდუქტების შემადგენლობაზე.
ზემოთ ჩამოთვლილი დისოციაციისა და იონიზაციის რეაქციების გარდა, იონურ მოლეკულებს შორის მეორადი რეაქციებიც ძალიან მნიშვნელოვანია.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
ამგვარად, იონების კონცენტრაციის თვალსაზრისით, sih3+ მეტია sih2+-ზე. ამით შეიძლება აიხსნას, თუ რატომ არის SiH4 პლაზმაში sih3+ იონი უფრო მეტი, ვიდრე sih2+ იონები.
გარდა ამისა, მოხდება მოლეკულური ატომების შეჯახების რეაქცია, რომლის დროსაც პლაზმაში წყალბადის ატომები SiH4-ში წყალბადს იჭერენ.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
ეს არის ეგზოთერმული რეაქცია და si2h6-ის წარმოქმნის წინამორბედი. რა თქმა უნდა, ეს ჯგუფები არა მხოლოდ ძირითად მდგომარეობაშია, არამედ პლაზმაში აღგზნებულ მდგომარეობაშიც არიან. სილანის პლაზმის ემისიის სპექტრები აჩვენებს, რომ არსებობს Si, SIH, h-ის ოპტიკურად დასაშვები გარდამავალი აღგზნებული მდგომარეობები და SiH2, SiH3-ის ვიბრაციული აღგზნებული მდგომარეობები.
გამოქვეყნების დრო: 2021 წლის 7 აპრილი