Plazmas pastiprinātas ķīmiskās tvaiku uzklāšanas (PECVD) pamattehnoloģija

1. Plazmas pastiprinātas ķīmiskās tvaiku uzklāšanas galvenie procesi

Ar plazmu pastiprināta ķīmiskā tvaiku uzklāšana (PECVD) ir jauna tehnoloģija plānu kārtiņu audzēšanai, izmantojot gāzveida vielu ķīmisku reakciju ar kvēlojošas izlādes plazmas palīdzību. Tā kā PECVD tehnoloģija tiek veikta ar gāzizlādes metodi, tiek efektīvi izmantotas nevienlīdzīgas plazmas reakcijas īpašības un būtiski mainīts reakcijas sistēmas enerģijas piegādes režīms. Vispārīgi runājot, ja plāno kārtiņu izgatavošanai tiek izmantota PECVD tehnoloģija, plāno kārtiņu audzēšana galvenokārt ietver šādus trīs pamatprocesus:

Pirmkārt, nevienmērīgā plazmā elektroni reaģē ar reakcijas gāzi primārajā posmā, sadalot reakcijas gāzi un veidojot jonu un aktīvo grupu maisījumu;

Otrkārt, visu veidu aktīvās grupas difundējas un transportējas uz plēves virsmu un sienu, un sekundārās reakcijas starp reaģentiem notiek vienlaikus;

Visbeidzot, visu veidu primārie un sekundārie reakcijas produkti, kas sasniedz augšanas virsmu, tiek adsorbēti un reaģē ar virsmu, kā rezultātā atkārtoti atbrīvojas gāzveida molekulas.

Konkrētāk, PECVD tehnoloģija, kuras pamatā ir kvēlojošās izlādes metode, var likt reakcijas gāzei jonizēties, veidojot plazmu ārēja elektromagnētiskā lauka ierosmes ietekmē. Kvēlojošās izlādes plazmā elektronu kinētiskā enerģija, ko paātrina ārējs elektriskais lauks, parasti ir aptuveni 10 EV vai pat augstāka, kas ir pietiekami, lai iznīcinātu reaģējošo gāzes molekulu ķīmiskās saites. Tādēļ, neelastīgi saduroties augstas enerģijas elektroniem un reaģējošajām gāzes molekulām, gāzes molekulas tiks jonizētas vai sadalītas, veidojot neitrālus atomus un molekulārus produktus. Pozitīvos jonus paātrina jonu slāņa paātrinošais elektriskais lauks, un tie saduras ar augšējo elektrodu. Blakus apakšējam elektrodam ir arī neliels jonu slāņa elektriskais lauks, tāpēc substrāts zināmā mērā tiek bombardēts ar joniem. Rezultātā sadalīšanās rezultātā radusies neitrālā viela difundē uz caurules sienas un substrāta. Dreifa un difūzijas procesā šīs daļiņas un grupas (ķīmiski aktīvos neitrālos atomus un molekulas sauc par grupām) īsā vidējā brīvā ceļa dēļ piedzīvos jonu molekulu reakciju un grupu molekulu reakciju. Ķīmiski aktīvo vielu (galvenokārt grupu), kas nonāk uz substrāta un tiek adsorbētas, ķīmiskās īpašības ir ļoti aktīvas, un plēve veidojas to savstarpējās mijiedarbības rezultātā.

2. Ķīmiskās reakcijas plazmā

Tā kā reakcijas gāzes ierosināšana kvēlojošās izlādes procesā galvenokārt ir elektronu sadursme, elementārās reakcijas plazmā ir dažādas, un mijiedarbība starp plazmu un cieto virsmu ir ļoti sarežģīta, kas apgrūtina PECVD procesa mehānisma izpēti. Līdz šim daudzas svarīgas reakcijas sistēmas ir optimizētas eksperimentu ceļā, lai iegūtu plēves ar ideālām īpašībām. Silīcija bāzes plāno plēvju nogulsnēšanai, pamatojoties uz PECVD tehnoloģiju, ja nogulsnēšanas mehānismu var dziļi atklāt, silīcija bāzes plāno plēvju nogulsnēšanās ātrumu var ievērojami palielināt, nodrošinot materiālu izcilas fizikālās īpašības.

Pašlaik silīcija bāzes plāno plēvju pētījumos kā reakcijas gāzi plaši izmanto ar ūdeņradi atšķaidītu silānu (SiH4), jo silīcija bāzes plānajās plēvēs ir noteikts ūdeņraža daudzums. H spēlē ļoti svarīgu lomu silīcija bāzes plānajās plēvēs. Tas var aizpildīt brīvās saites materiāla struktūrā, ievērojami samazināt defektu enerģijas līmeni un viegli realizēt materiālu valences elektronu kontroli. Kopš Spīrs un līdzautori 1990. gadā pirmie saprata silīcija plāno plēvju dopinga efektu un sagatavoja pirmo PN pāreju, pētījumi par silīcija bāzes plāno plēvju, kuru pamatā ir PECVD tehnoloģija, izgatavošanu un pielietošanu ir strauji attīstījušies. Tāpēc turpmāk tiks aprakstīta un apspriesta ķīmiskā reakcija silīcija bāzes plānajās plēvēs, kas iegūtas, izmantojot PECVD tehnoloģiju.

Kvēlojošas izlādes apstākļos, tā kā silāna plazmas elektroniem ir vairāk nekā vairākas EV enerģijas, H2 un SiH4 sadalās, kad tie saduras ar elektroniem, kas pieder pie primārās reakcijas. Ja neņemam vērā starpposma ierosinātos stāvokļus, mēs varam iegūt šādas Sihm (M = 0,1,2,3) disociācijas reakcijas ar 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)

Saskaņā ar pamatstāvokļa molekulu ražošanas standarta siltumu, iepriekšminētajiem disociācijas procesiem (2,1) ~ (2,5) nepieciešamās enerģijas ir attiecīgi 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV un 4,5 EV. Augstas enerģijas elektroni plazmā var tikt pakļauti arī šādām jonizācijas reakcijām

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) nepieciešamais enerģijas daudzums ir attiecīgi 11,9, 12,3, 13,6 un 15,3 EV. Reakcijas enerģijas atšķirības dēļ (2.1) ~ (2.9) reakciju varbūtība ir ļoti nevienmērīga. Turklāt reakcijas procesā (2.1) ~ (2.5) veidojies sihms jonizēsies šādās sekundārās reakcijās, piemēram

SiH⁺e→SiH⁺⁺2e (2.10)

SiH₂⁺e→SiH₂⁺⁺e (2,11)

SiH3+e→SiH3++2e (2,12)

Ja iepriekšminēto reakciju veic, izmantojot viena elektrona procesu, nepieciešamā enerģija ir aptuveni 12 eV vai vairāk. Ņemot vērā faktu, ka vāji jonizētā plazmā ar elektronu blīvumu 1010 cm-3 augstas enerģijas elektronu skaits ir relatīvi mazs atmosfēras spiedienā (10–100 Pa), lai sagatavotu uz silīcija bāzes veidotas plēves, kumulatīvā jonizācijas varbūtība parasti ir mazāka nekā ierosmes varbūtība. Tāpēc iepriekš minēto jonizēto savienojumu īpatsvars silāna plazmā ir ļoti mazs, un dominējošā ir neitrālā sihm grupa. Masas spektra analīzes rezultāti arī apstiprina šo secinājumu [8]. Burkvars un līdzautori arī norādīja, ka sihm koncentrācija samazinājās sih3, sih2, Si un SIH secībā, bet SiH3 koncentrācija bija ne vairāk kā trīs reizes lielāka nekā SIH. Robertsons un līdzautori ziņoja, ka neitrālajos sihm produktos tīrs silāns galvenokārt tika izmantots lielas jaudas izlādei, savukārt sih3 galvenokārt tika izmantots mazas jaudas izlādei. Koncentrāciju secība no augstas līdz zemai bija SiH3, SiH, Si, SiH2. Tādēļ plazmas procesa parametri spēcīgi ietekmē sihm neitrālo produktu sastāvu.

Papildus iepriekšminētajām disociācijas un jonizācijas reakcijām, ļoti svarīgas ir arī sekundārās reakcijas starp jonu molekulām.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Tāpēc jonu koncentrācijas ziņā sih3+ ir vairāk nekā sih2+. Tas var izskaidrot, kāpēc SiH4 plazmā ir vairāk sih3+ jonu nekā sih2+ jonu.

Turklāt notiks molekulāro atomu sadursmes reakcija, kurā plazmas ūdeņraža atomi uztver ūdeņradi SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)

Tā ir eksotermiska reakcija un Si2H6 veidošanās priekšnoteikums. Protams, šīs grupas atrodas ne tikai pamatstāvoklī, bet arī plazmā ierosinātā stāvoklī. Silāna plazmas emisijas spektri parāda, ka pastāv optiski pieļaujami pārejas ierosinātie Si, SIH, h stāvokļi un SiH2, SiH3 vibrācijas ierosinātie stāvokļi.