1. Haaptprozesser vun der plasmaverstäerkter chemescher Dampfdepositioun
Plasmaverstäerkt chemesch Dampfdepositioun (PECVD) ass eng nei Technologie fir d'Wuesstum vun Dënnschichten duerch chemesch Reaktioun vu gasfërmege Substanzen mat Hëllef vu Glühplasma. Well d'PECVD-Technologie duerch Gasentladung hiergestallt gëtt, ginn d'Reaktiounseigenschaften vum Net-Gläichgewiichtsplasma effektiv ausgenotzt, an d'Energieversuergungsmodus vum Reaktiounssystem ännert sech fundamental. Am Allgemengen, wann d'PECVD-Technologie fir d'Virbereedung vun Dënnschichten benotzt gëtt, ëmfaasst d'Wuesstum vun Dënnschichten haaptsächlech déi folgend dräi Grondprozesser.
Éischtens, am Net-Gläichgewiichtsplasma reagéieren d'Elektronen mam Reaktiounsgas an der Primärstuf fir de Reaktiounsgas ze zersetzen an eng Mëschung aus Ionen an aktiven Gruppen ze bilden;
Zweetens diffundéieren all Zorte vun aktiven Gruppen a transportéieren se op d'Uewerfläch an d'Wand vum Film, an déi sekundär Reaktiounen tëscht de Reaktanten geschéien gläichzäiteg;
Schlussendlech ginn all Zorte vu primären a sekundären Reaktiounsprodukter, déi d'Wuestumsuewerfläch erreechen, adsorbéiert a reagéiere mat der Uewerfläch, begleet vun der neier Fräisetzung vu gasfërmegen Molekülen.
Genauer gesot, kann d'PECVD-Technologie, déi op der Glüh-Entladungsmethod baséiert, de Reaktiounsgas ënner der Anregung vun engem externen elektromagnetesche Feld ioniséieren a Plasma bilden. Am Glüh-Entladungsplasma ass déi kinetesch Energie vun den Elektronen, déi duerch en externt elektrescht Feld beschleunegt ginn, normalerweis ongeféier 10 EV oder souguer méi héich, wat genuch ass, fir déi chemesch Bindungen vun de reaktive Gasmoleküle ze zerstéieren. Dofir ginn d'Gasmoleküle duerch déi inelastesch Kollisioun vun héichenergeteschen Elektronen a reaktive Gasmoleküle ioniséiert oder zersetzt, fir neutral Atomer a molekulare Produkter ze produzéieren. Déi positiv Ionen ginn duerch d'beschleunegen elektrescht Feld vun der Ionenschicht beschleunegt a kollidéieren mat der ieweschter Elektrod. Et gëtt och e klengt elektrescht Feld vun der Ionenschicht bei der ënneschter Elektrod, sou datt de Substrat och bis zu engem gewësse Grad vun Ionen bombardéiert gëtt. Als Resultat diffundéiert déi neutral Substanz, déi duerch d'Zersetzung entsteet, op d'Röhrewand an d'Substrat. Am Prozess vun der Drift an der Diffusioun wäerten dës Partikelen a Gruppen (déi chemesch aktiv neutral Atomer a Moleküle gi Gruppen genannt) eng Ionenmolekülreaktioun a Gruppenmolekülreaktioun duerchlafen, wéinst dem kuerzen duerchschnëttleche fräie Wee. Déi chemesch Eegeschafte vun de chemeschen Aktivstoffer (haaptsächlech Gruppen), déi de Substrat erreechen an adsorbéiert ginn, si ganz aktiv, an de Film entsteet duerch d'Interaktioun tëscht hinne.
2. Chemesch Reaktiounen am Plasma
Well d'Ureegung vum Reaktiounsgas am Glüh-Entladungsprozess haaptsächlech eng Elektronekollisioun ass, sinn déi elementar Reaktiounen am Plasma ënnerschiddlech, an d'Interaktioun tëscht dem Plasma an der fester Uewerfläch ass och ganz komplex, wat et méi schwéier mécht, de Mechanismus vum PECVD-Prozess ze studéieren. Bis elo goufen vill wichteg Reaktiounssystemer duerch Experimenter optimiséiert, fir Filmer mat idealen Eegeschaften ze kréien. Fir d'Oflagerung vu Silizium-baséierten Dënnfilmer baséiert op der PECVD-Technologie, kann d'Oflagerungsquote vu Silizium-baséierten Dënnfilmer staark erhéicht ginn, wann de Mechanismus vun der Oflagerung grëndlech opgedeckt ka ginn, ënner der Viraussetzung, déi exzellent physikalesch Eegeschafte vun de Materialien ze garantéieren.
Aktuell gëtt an der Fuerschung vun Dënnschichten op Siliziumbaséierten Niveau waasserstoffverdënnte Silan (SiH4) wäit verbreet als Reaktiounsgas benotzt, well eng gewësse Quantitéit u Waasserstoff an den Dënnschichten op Siliziumbaséierten Niveauen ass. H2 spillt eng ganz wichteg Roll an den Dënnschichten op Siliziumbaséierten Niveauen. Et kann déi hänkeg Bindungen an der Materialstruktur ausfëllen, den Energieniveau vun Defekter staark reduzéieren an d'Valenzelektronekontroll vun de Materialien einfach ëmsetzen. Zënter datt de Spear et al. den Dotierungseffekt vu Siliziumdënnschichten als éischten erkannt hunn an déi éischt PN-Verbindung am Joer 2013 virbereet hunn, huet sech d'Fuerschung iwwer d'Virbereedung an d'Uwendung vu Dënnschichten op Siliziumbaséierten Niveauen op Basis vun der PECVD-Technologie enorm entwéckelt. Dofir gëtt déi chemesch Reaktioun an Dënnschichten op Siliziumbaséierten Niveauen, déi mat der PECVD-Technologie ofgesat goufen, am Folgenden beschriwwen an diskutéiert.
Ënnert der Glüh-Entladungsbedingung, well d'Elektronen am Silanplasma méi wéi e puer EV-Energie hunn, zersetzen sech H2 an SiH4, wa se vun Elektronen kollidéiert ginn, wat zu der Primärreaktioun gehéiert. Wa mir déi mëttlere anregt Zustänn net berücksichtegen, kënne mir déi folgend Dissoziatiounsreaktioune vu sihm (M = 0,1,2,3) mat H kréien.
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)
No der Standardproduktiounswärme vu Grondzoustandsmoleküle sinn d'Energien, déi fir déi uewe genannten Dissoziatiounsprozesser (2.1) ~ (2.5) erfuerderlech sinn, 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV respektiv 4,5 EV. Héichenergetesch Elektronen am Plasma kënnen och déi folgend Ioniséierungsreaktiounen duerchlafen
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)
D'Energie, déi fir (2.6) ~ (2.9) gebraucht gëtt, ass respektiv 11,9, 12,3, 13,6 an 15,3 EV. Wéinst dem Ënnerscheed an der Reaktiounsenergie ass d'Wahrscheinlechkeet vun de Reaktiounen (2.1) ~ (2.9) ganz ongläichméisseg. Zousätzlech wäert de Sihm, deen duerch de Reaktiounsprozess (2.1) ~ (2.5) entsteet, déi folgend sekundär Reaktiounen duerchlafen, fir ze ioniséieren, wéi z. B.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Wann déi uewe genannte Reaktioun mat Hëllef vun engem Eenzelelektronenprozess duerchgefouert gëtt, ass d'Energie déi néideg ass ongeféier 12 eV oder méi. Well d'Zuel vun den héichenergeteschen Elektronen iwwer 10 ev am schwaach ioniséierte Plasma mat enger Elektronendichte vun 1010 cm-3 relativ kleng ass ënner dem Atmosphärendrock (10-100 Pa) fir d'Virbereedung vu Silizium-baséierte Filmer, ass d'kumulativ Ioniséierungswahrscheinlechkeet am Allgemengen méi kleng wéi d'Ureegungswahrscheinlechkeet. Dofir ass den Undeel vun den uewe genannten ioniséierte Verbindungen am Silanplasma ganz kleng, an déi neutral Grupp vu Sihm ass dominant. D'Resultater vun der Massespektrumanalyse bestätegen och dës Conclusioun [8]. Bourquard et al. hunn weider drop higewisen, datt d'Konzentratioun vu Sihm an der Gréisstenuerdnung vu Sih3, Sih2, Si a SIH erofgaangen ass, awer d'Konzentratioun vu SiH3 maximal dräimol sou héich war wéi déi vu SIH. Robertson et al. hunn bericht, datt an den neutralen Produkter vu Sihm pure Silan haaptsächlech fir Héichleistungsentladung benotzt gouf, während Sih3 haaptsächlech fir Niddregleistungsentladung benotzt gouf. D'Reiefolleg vun der Konzentratioun vun héich bis niddreg war SiH3, SiH, Si, SiH2. Dofir beaflossen d'Parameter vum Plasmaprozess d'Zesummesetzung vun de sihm-neutrale Produkter staark.
Nieft den uewe genannten Dissoziatiouns- an Ioniséierungsreaktiounen sinn och déi sekundär Reaktiounen tëscht ionesche Moleküle ganz wichteg.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Dofir ass sih3+ wat d'Ionenkonzentratioun ugeet méi grouss wéi sih2+. Dat kann erklären, firwat et méi Sih3+ Ionen ewéi Sih2+ Ionen am SiH4 Plasma gëtt.
Zousätzlech gëtt et eng Kollisiounsreaktioun tëscht molekulare Atomer, bei där d'Waasserstoffatome am Plasma de Waasserstoff am SiH4 opfänken.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Et ass eng exotherm Reaktioun an e Virleefer fir d'Bildung vu si2h6. Natierlech sinn dës Gruppen net nëmmen am Grondzoustand, mä och an den ugereegten Zoustand am Plasma ugereegt. D'Emissiounsspektre vum Silanplasma weisen, datt et optesch zulässlech Iwwergangs-anregen Zoustänn vu Si, SIH, h, a vibrations-anregen Zoustänn vu SiH2, SiH3 gëtt.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 07.04.2021