1. Главни процеси на хемиско таложење на пареа засилено со плазма
Плазматски подобрено хемиско таложење на пареа (PECVD) е нова технологија за раст на тенки филмови преку хемиска реакција на гасовити супстанции со помош на плазма со сјајно празнење. Бидејќи PECVD технологијата се подготвува со гасно празнење, реакционите карактеристики на нерамнотежната плазма се ефикасно искористени, а режимот на снабдување со енергија на реакциониот систем е фундаментално променет. Општо земено, кога PECVD технологијата се користи за подготовка на тенки филмови, растот на тенки филмови главно ги вклучува следните три основни процеси.
Прво, во нерамнотежна плазма, електроните реагираат со реакцискиот гас во примарната фаза за да го разградат реакцискиот гас и да формираат мешавина од јони и активни групи;
Второ, сите видови активни групи дифундираат и транспортираат до површината и ѕидот на филмот, а секундарните реакции меѓу реактантите се случуваат истовремено;
Конечно, сите видови на примарни и секундарни реакциски производи што стигнуваат до површината на раст се адсорбираат и реагираат со површината, придружено со повторно ослободување на гасовити молекули.
Поточно, PECVD технологијата базирана на метод на светлечко празнење може да го јонизира реакцискиот гас за да формира плазма под побудување на надворешно електромагнетно поле. Во плазмата со светлечко празнење, кинетичката енергија на електроните забрзани од надворешно електрично поле е обично околу 10ev, или дури и поголема, што е доволно за да ги уништи хемиските врски на реактивните молекули на гас. Затоа, преку нееластичен судир на електрони со висока енергија и реактивни молекули на гас, молекулите на гас ќе бидат јонизирани или распаднати за да произведат неутрални атоми и молекуларни производи. Позитивните јони се забрзуваат од електричното поле на јонскиот слој и се судираат со горната електрода. Исто така, постои мало електрично поле на јонскиот слој во близина на долната електрода, така што подлогата е исто така бомбардирана со јони до одреден степен. Како резултат на тоа, неутралната супстанција произведена со распаѓање дифундира до ѕидот на цевката и подлогата. Во процесот на дрифт и дифузија, овие честички и групи (хемиски активните неутрални атоми и молекули се нарекуваат групи) ќе претрпат реакција на јонски молекули и реакција на групни молекули поради кратката просечна слободна патека. Хемиските својства на хемиските активни супстанции (главно групи) што стигнуваат до подлогата и се адсорбираат се многу активни, а филмот се формира со интеракција меѓу нив.
2. Хемиски реакции во плазмата
Бидејќи возбудувањето на реакцискиот гас во процесот на празнење на сјајот е главно судир на електрони, елементарните реакции во плазмата се различни, а интеракцијата помеѓу плазмата и цврстата површина е исто така многу сложена, што го отежнува проучувањето на механизмот на PECVD процесот. Досега, многу важни реакциски системи се оптимизирани преку експерименти за да се добијат филмови со идеални својства. За таложење на тенки филмови базирани на силициум базирани на PECVD технологијата, ако механизмот на таложење може длабоко да се открие, брзината на таложење на тенки филмови базирани на силициум може значително да се зголеми врз основа на обезбедување одлични физички својства на материјалите.
Во моментов, во истражувањето на тенки филмови базирани на силициум, силанот разреден со водород (SiH4) е широко користен како реакциски гас бидејќи во тенките филмови базирани на силициум има одредена количина на водород. H игра многу важна улога во тенките филмови базирани на силициум. Може да ги пополни висечките врски во структурата на материјалот, значително да го намали нивото на енергија на дефектот и лесно да ја реализира контролата на валентните електрони на материјалите. Откако Спир и сор. први го сфатија ефектот на допир на тенките филмови од силициум и го подготвија првиот PN спој во 2004 година, истражувањето за подготовка и примена на тенки филмови базирани на силициум базирани на PECVD технологијата е развиено со скокови. Затоа, хемиската реакција во тенки филмови базирани на силициум депонирани со PECVD технологија ќе биде опишана и дискутирана подолу.
Под услови на сјајно празнење, бидејќи електроните во силанската плазма имаат енергија од повеќе од неколку EV, H2 и SiH4 ќе се распаднат кога ќе се судрат со електрони, што припаѓа на примарната реакција. Ако не ги земеме предвид средните возбудени состојби, можеме да ги добиеме следните реакции на дисоцијација на sihm (M = 0,1,2,3) со 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)
Според стандардната топлина на производство на молекули во основна состојба, енергиите потребни за горенаведените процеси на дисоцијација (2.1) ~ (2.5) се 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV и 4.5 EV соодветно. Електроните со висока енергија во плазмата можат да подлежат и на следниве реакции на јонизација
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)
Енергијата потребна за (2.6) ~ (2.9) е 11.9, 12.3, 13.6 и 15.3 EV соодветно. Поради разликата во енергијата на реакцијата, веројатноста за реакции (2.1) ~ (2.9) е многу нерамномерна. Покрај тоа, сихумот формиран со процесот на реакција (2.1) ~ (2.5) ќе помине низ следните секундарни реакции за јонизирање, како што се
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ако горенаведената реакција се изведува преку процес со еден електронски елемент, потребната енергија е околу 12 eV или повеќе. Со оглед на фактот дека бројот на електрони со висока енергија над 10ev во слабо јонизираната плазма со густина на електрони од 1010 cm-3 е релативно мал под атмосферски притисок (10-100pa) за подготовка на филмови на база на силициум, кумулативната веројатност за јонизација е генерално помала од веројатноста за побудување. Затоа, пропорцијата на горенаведените јонизирани соединенија во силанската плазма е многу мала, а неутралната група на sihm е доминантна. Резултатите од анализата на масениот спектар исто така го докажуваат овој заклучок [8]. Бурквард и сор. Понатаму истакнаа дека концентрацијата на sihm се намалила по редослед на sih3, sih2, Si и SIH, но концентрацијата на SiH3 била најмногу три пати поголема од SIH. Робертсон и сор. објавија дека во неутралните производи на sihm, чистиот силан главно се користи за празнење со голема моќност, додека sih3 главно се користи за празнење со мала моќност. Редоследот на концентрација од висока до ниска беше SiH3, SiH, Si, SiH2. Затоа, параметрите на плазма процесот силно влијаат на составот на sihm неутралните производи.
Покрај горенаведените реакции на дисоцијација и јонизација, секундарните реакции помеѓу јонските молекули се исто така многу важни.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Затоа, во однос на концентрацијата на јони, sih3+ е повеќе од sih2+. Ова може да објасни зошто има повеќе sih3+ јони отколку sih2+ јони во плазмата од SiH4.
Покрај тоа, ќе има реакција на судир на молекуларни атоми во која атомите на водород во плазмата го заробуваат водородот во SiH4.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Тоа е егзотермна реакција и прекурсор за формирање на si2h6. Секако, овие групи не се само во основна состојба, туку се и возбудени до возбудена состојба во плазмата. Емисионите спектри на силанската плазма покажуваат дека постојат оптички прифатливи преодни возбудени состојби на Si, SIH, h и вибрациони возбудени состојби на SiH2, SiH3.
Време на објавување: 07.04.2021