1. Плазма менен күчөтүлгөн химиялык буу чөктүрүүнүн негизги процесстери
Плазма менен күчөтүлгөн химиялык буу чөктүрүү (PECVD) - бул газ түрүндөгү заттардын жаркыраган разряд плазмасынын жардамы менен химиялык реакциясы аркылуу жука пленкаларды өстүрүүнүн жаңы технологиясы. PECVD технологиясы газ разряддоо жолу менен даярдалгандыктан, тең салмактуу эмес плазманын реакция мүнөздөмөлөрү натыйжалуу колдонулат жана реакция системасынын энергия менен камсыздоо режими түп-тамырынан бери өзгөрөт. Жалпысынан алганда, PECVD технологиясы жука пленкаларды даярдоо үчүн колдонулганда, жука пленкаларды өстүрүү негизинен төмөнкү үч негизги процессти камтыйт.
Биринчиден, тең салмактуу эмес плазмада электрондор баштапкы стадияда реакция газы менен реакцияга кирип, реакция газын ажыратып, иондордун жана активдүү топтордун аралашмасын түзөт;
Экинчиден, ар кандай активдүү топтор пленканын бетине жана дубалына диффузияланып, ташылат, ал эми реактивдердин ортосундагы экинчилик реакциялар бир эле учурда жүрөт;
Акырында, өсүү бетине жеткен бардык түрдөгү биринчилик жана экинчилик реакция продуктулары адсорбцияланып, бет менен реакцияга кирет, бул газ түрүндөгү молекулалардын кайрадан бөлүнүп чыгышы менен коштолот.
Тактап айтканда, жаркыроо разряддоо ыкмасына негизделген PECVD технологиясы тышкы электромагниттик талаанын дүүлүктүрүүсү астында реакция газын иондоштуруп, плазманы пайда кыла алат. Жаркыроо разряддоо плазмасында тышкы электр талаасы менен ылдамдатылган электрондордун кинетикалык энергиясы адатта 10 эВге жакын же андан да жогору болот, бул реактивдүү газ молекулаларынын химиялык байланыштарын бузууга жетиштүү. Ошондуктан, жогорку энергиялуу электрондордун жана реактивдүү газ молекулаларынын ийкемсиз кагылышуусу аркылуу газ молекулалары иондоштурулат же ажыроо жолу менен нейтралдуу атомдорду жана молекулярдык продуктыларды пайда кылат. Оң иондор ион катмарынын ылдамдатуучу электр талаасы менен ылдамдатылат жана жогорку электрод менен кагылышат. Төмөнкү электроддун жанында кичинекей ион катмарынын электр талаасы да бар, ошондуктан субстрат белгилүү бир деңгээлде иондор менен бомбаланат. Натыйжада, ажыроодон пайда болгон нейтралдуу зат түтүктүн дубалына жана субстратына диффузияланат. Дрейф жана диффузия процессинде бул бөлүкчөлөр жана топтор (химиялык жактан активдүү нейтралдуу атомдор жана молекулалар топтор деп аталат) орточо эркин жолдун кыскалыгынан улам ион молекуласынын реакциясына жана топ молекуласынын реакциясына дуушар болушат. Субстратка жетип, адсорбцияланган химиялык активдүү заттардын (негизинен топтордун) химиялык касиеттери абдан активдүү болуп, пленка алардын ортосундагы өз ара аракеттенүүдөн пайда болот.
2. Плазмадагы химиялык реакциялар
Жаркыроо разряд процессинде реакция газынын дүүлүктүрүлүшү негизинен электрондордун кагылышуусу болгондуктан, плазмадагы элементардык реакциялар ар кандай болот жана плазма менен катуу беттин өз ара аракеттенүүсү да өтө татаал, бул PECVD процессинин механизмин изилдөөнү кыйындатат. Ушул убакка чейин идеалдуу касиеттерге ээ пленкаларды алуу үчүн көптөгөн маанилүү реакция системалары эксперименттер аркылуу оптималдаштырылган. PECVD технологиясына негизделген кремний негизиндеги жука пленкаларды чөктүрүү үчүн, эгерде чөктүрүү механизмин терең ачып берүүгө мүмкүн болсо, материалдардын эң сонун физикалык касиеттерин камсыз кылуу шартында кремний негизиндеги жука пленкалардын чөктүрүү ылдамдыгын бир топ жогорулатууга болот.
Учурда кремний негизиндеги жука пленкаларды изилдөөдө, кремний негизиндеги жука пленкаларда белгилүү бир өлчөмдөгү суутек болгондуктан, суюлтулган силан (SiH4) реакция газы катары кеңири колдонулат. Н кремний негизиндеги жука пленкаларда абдан маанилүү ролду ойнойт. Ал материалдын түзүлүшүндөгү илинип турган байланыштарды толтура алат, кемчиликтин энергия деңгээлин бир топ төмөндөтөт жана материалдардын валенттик электрондорун башкарууну оңой ишке ашырат. Спир жана башкалар биринчи жолу кремний жука пленкаларынын легирлөө эффектин түшүнүп, биринчи PN өткөөлүн даярдагандан бери, PECVD технологиясына негизделген кремний негизиндеги жука пленкаларды даярдоо жана колдонуу боюнча изилдөөлөр секирик жана чектөөлөр менен өнүктү. Ошондуктан, PECVD технологиясы менен топтолгон кремний негизиндеги жука пленкалардагы химиялык реакция төмөндө баяндалат жана талкууланат.
Жаркыроо разряд шартында, силан плазмасындагы электрондор бир нечеден ашык EV энергиясына ээ болгондуктан, H2 жана SiH4 электрондор менен кагылышканда ажырайт, бул баштапкы реакцияга кирет. Эгерде биз ортоңку дүүлүккөн абалдарды эске албасак, sihmдин (M = 0,1,2,3) H менен төмөнкү диссоциация реакцияларын ала алабыз.
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)
Негизги абалдагы молекулалардын стандарттык жылуулук өндүрүлүшүнө ылайык, жогорудагы диссоциация процесстери үчүн талап кылынган энергиялар (2.1) ~ (2.5) тиешелүүлүгүнө жараша 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 ЭВ жана 4.5 ЭВ түзөт. Плазмадагы жогорку энергиялуу электрондор дагы төмөнкү иондоштуруу реакцияларына дуушар болушу мүмкүн:
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) үчүн талап кылынган энергия тиешелүүлүгүнө жараша 11.9, 12.3, 13.6 жана 15.3 ЭВ түзөт. Реакция энергиясынын айырмасынан улам, (2.1) ~ (2.9) реакцияларынын ыктымалдуулугу өтө бирдей эмес. Мындан тышкары, (2.1) ~ (2.5) реакция процесси менен пайда болгон сигм иондоштуруу үчүн төмөнкү экинчилик реакцияларга дуушар болот, мисалы:
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Эгерде жогорудагы реакция бир электрондук процесс аркылуу жүргүзүлсө, анда талап кылынган энергия болжол менен 12 эВ же андан көп болот. Кремний негизиндеги пленкаларды даярдоо үчүн атмосфералык басым астында (10-100па) 1010 см-3 болгон алсыз иондоштурулган плазмада 10 эВден жогору жогорку энергиялуу электрондордун саны салыштырмалуу аз болгондуктан, кумулятивдик иондоштуруу ыктымалдуулугу жалпысынан дүүлүктүрүү ыктымалдуулугунан кичине. Ошондуктан, силан плазмасындагы жогорудагы иондоштурулган кошулмалардын үлүшү өтө аз жана sihmдин нейтралдуу тобу басымдуулук кылат. Массалык спектр анализинин жыйынтыктары да бул тыянакты далилдейт [8]. Буркуард жана башкалар. Андан ары sihmдин концентрациясы sih3, sih2, Si жана SIH тартибинде төмөндөгөнүн, бирок SiH3тин концентрациясы SIHдин концентрациясынан эң көп дегенде үч эсе көп болгонун белгилешкен. Робертсон жана башкалар. Сигмдин нейтралдуу продуктуларында таза силан негизинен жогорку кубаттуулуктагы разряд үчүн, ал эми сигм3 негизинен аз кубаттуулуктагы разряд үчүн колдонулганы кабарланган. Концентрациянын жогоркудан төмөнкүгө чейинки тартиби SiH3, SiH, Si, SiH2 болгон. Ошондуктан, плазма процессинин параметрлери сигмдин нейтралдуу продуктуларынын курамына күчтүү таасир этет.
Жогорудагы диссоциация жана иондоштуруу реакцияларынан тышкары, иондук молекулалардын ортосундагы экинчилик реакциялар да абдан маанилүү.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Ошондуктан, иондордун концентрациясы жагынан алганда, sih3+ sih2+ караганда көбүрөөк. Бул SiH4 плазмасында sih2+ иондоруна караганда sih3+ иондору эмне үчүн көп экенин түшүндүрө алат.
Мындан тышкары, плазмадагы суутек атомдору SiH4теги суутекти кармап турган молекулярдык атомдордун кагылышуу реакциясы болот.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Бул экзотермикалык реакция жана si2h6 пайда болушунун прекурсору. Албетте, бул топтор негизги абалда гана эмес, плазмада дүүлүккөн абалга да дүүлүккөн. Силан плазмасынын эмиссиялык спектрлери Si, SIH, h оптикалык жактан жол берилген өткөөл дүүлүккөн абалдары жана SiH2, SiH3 термелүү дүүлүккөн абалдары бар экенин көрсөтөт.
Жарыяланган убактысы: 2021-жылдын 7-апрели