Плазмын сайжруулсан химийн ууршуулах суурь технологи (PECVD)

1. Плазмын сайжруулсан химийн ууршилтын үндсэн процессууд

Плазмын сайжруулсан химийн ууршуулах тунадасжуулалт (PECVD) нь хийн бодисыг гэрэлтсэн ялгаруулалттай плазмын тусламжтайгаар химийн урвалд оруулж нимгэн хальс ургуулах шинэ технологи юм. PECVD технологийг хийн ялгаруулалтаар бэлтгэдэг тул тэнцвэргүй плазмын урвалын шинж чанарыг үр дүнтэй ашиглаж, урвалын системийн эрчим хүчний хангамжийн горимыг үндсээр нь өөрчилдөг. Ерөнхийдөө PECVD технологийг нимгэн хальс бэлтгэхэд ашиглах үед нимгэн хальс ургуулах нь голчлон дараах гурван үндсэн процессыг агуулдаг.

Нэгдүгээрт, тэнцвэргүй плазмд электронууд анхдагч шатанд урвалын хийтэй урвалд орж урвалын хийг задалж, ион ба идэвхтэй бүлгүүдийн холимог үүсгэдэг;

Хоёрдугаарт, бүх төрлийн идэвхтэй бүлгүүд хальсны гадаргуу болон хананд тархаж, тээвэрлэгддэг бөгөөд урвалжуудын хоорондох хоёрдогч урвалууд нэгэн зэрэг явагддаг;

Эцэст нь өсөлтийн гадаргуу дээр хүрсэн бүх төрлийн анхдагч ба хоёрдогч урвалын бүтээгдэхүүнүүд адсорбцлогдож, гадаргуутай урвалд орж, хийн молекулууд дахин ялгардаг.

Тодруулбал, гэрэлтдэг цэнэг алдалтын аргад суурилсан PECVD технологи нь гадаад цахилгаан соронзон орны өдөөлт дор урвалын хийг ионжуулж, плазм үүсгэх боломжтой. Гэрэлтдэг цэнэг алдалтын плазмд гадаад цахилгаан орны өдөөлтөөр хурдасгасан электронуудын кинетик энерги нь ихэвчлэн 10 эВ буюу түүнээс ч өндөр байдаг бөгөөд энэ нь урвалд ордог хийн молекулуудын химийн холбоог устгахад хангалттай юм. Тиймээс өндөр энергитэй электронууд болон урвалд ордог хийн молекулуудын уян хатан бус мөргөлдөөний улмаас хийн молекулууд ионжиж эсвэл задарч, төвийг сахисан атомууд болон молекулын бүтээгдэхүүн үүсгэдэг. Эерэг ионууд нь ионы давхаргын хурдасгагч цахилгаан орны нөлөөгөөр хурдасч, дээд электродтой мөргөлддөг. Доод электродын ойролцоо жижиг ионы давхаргын цахилгаан орон байдаг тул суурь нь тодорхой хэмжээгээр ионуудаар бөмбөгдүүлдэг. Үүний үр дүнд задралаар үүссэн төвийг сахисан бодис нь хоолойн хана болон суурь руу тархдаг. Дрифт ба тархалтын процесст эдгээр бөөмс болон бүлгүүд (химийн идэвхтэй төвийг сахисан атомууд болон молекулуудыг бүлэг гэж нэрлэдэг) нь дундаж чөлөөт замын богино хугацааны улмаас ионы молекулын урвал болон бүлгийн молекулын урвалд орно. Субстратад хүрч, адсорбцлогддог химийн идэвхтэй бодисын (голчлон бүлгүүдийн) химийн шинж чанарууд нь маш идэвхтэй бөгөөд тэдгээрийн хоорондох харилцан үйлчлэлээр хальс үүсдэг.

2. Сийвэн дэх химийн урвалууд

Гэрэлтүүлгийн цэнэг алдалтын процесст урвалын хийн өдөөлт нь голчлон электрон мөргөлдөөнөөс үүдэлтэй тул плазмын элементийн урвалууд нь янз бүр байдаг бөгөөд плазм ба хатуу гадаргуугийн харилцан үйлчлэл нь маш нарийн төвөгтэй тул PECVD процессын механизмыг судлахад илүү төвөгтэй болгодог. Одоогоор олон чухал урвалын системийг туршилтаар оновчтой болгож, хамгийн тохиромжтой шинж чанартай хальсыг гаргаж авсан. PECVD технологид суурилсан цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсыг тунадасжуулахын тулд тунадасжуулах механизмыг гүнзгийрүүлэн нээж чадвал материалын маш сайн физик шинж чанарыг хангахын тулд цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсны тунадасжуулах хурдыг ихээхэн нэмэгдүүлэх боломжтой.

Одоогийн байдлаар цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсны судалгаанд цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсанд тодорхой хэмжээний устөрөгч байдаг тул устөрөгчийн шингэрүүлсэн силан (SiH4)-ийг урвалын хий болгон өргөн ашиглаж байна. H нь цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсанд маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ нь материалын бүтцэд унжсан холбоог дүүргэж, согогийн энергийн түвшинг эрс бууруулж, материалын валентийн электроны хяналтыг хялбархан хэрэгжүүлж чаддаг. Спир нар анх цахиурын нимгэн хальсны допинг нөлөөг ойлгож, анхны PN уулзварыг бэлтгэснээс хойш PECVD технологид суурилсан цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсыг бэлтгэх, хэрэглэх судалгааг үсрэнгүй хөгжүүлсэн. Тиймээс PECVD технологиор хуримтлагдсан цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсан дахь химийн урвалыг доор тайлбарлаж, хэлэлцэх болно.

Гэрэлтүүлгийн цэнэг алдалтын нөхцөлд силан плазмын электронууд хэд хэдэн EV энергиэс илүү байдаг тул H2 ба SiH4 нь электронуудтай мөргөлдөх үед задардаг бөгөөд энэ нь анхдагч урвалд хамаарна. Хэрэв бид завсрын өдөөгдсөн төлөвийг авч үзэхгүй бол sihm (M = 0,1,2,3)-ийн H-тэй дараах диссоциацийн урвалуудыг авч болно.

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)

Үндсэн төлөвийн молекулуудын стандарт үйлдвэрлэлийн дулааны дагуу дээрх диссоциацийн процессуудад (2.1) ~ (2.5) шаардагдах энерги нь тус тус 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ба 4.5 EV байна. Сийвэн дэх өндөр энергитэй электронууд дараах иончлолын урвалд орж болно.

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)-д шаардагдах энерги нь тус тус 11.9, 12.3, 13.6 болон 15.3 EV байна. Урвалын энергийн зөрүүнээс шалтгаалан (2.1) ~ (2.9) урвалын магадлал маш жигд бус байна. Үүнээс гадна, (2.1) ~ (2.5) урвалын процессоор үүссэн сигм нь ионжих дараах хоёрдогч урвалуудад орно, тухайлбал

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Хэрэв дээрх урвалыг ганц электрон процессоор явуулбал шаардагдах энерги нь ойролцоогоор 12 эВ буюу түүнээс дээш байна. Цахиур дээр суурилсан хальс бэлтгэхэд агаар мандлын даралт (10-100па) дор 1010см-3 электрон нягтралтай сул ионжуулсан сийвэн дэх 10 эВ-ээс дээш өндөр энергитэй электронуудын тоо харьцангуй бага байдаг тул хуримтлагдсан ионжуулалтын магадлал нь өдөөх магадлалаас ерөнхийдөө бага байдаг. Тиймээс силан плазм дахь дээрх ионжуулсан нэгдлүүдийн эзлэх хувь маш бага бөгөөд sihm-ийн төвийг сахисан бүлэг давамгайлдаг. Массын спектрийн шинжилгээний үр дүн нь энэ дүгнэлтийг нотолж байна [8]. Буркуард нар цааш нь sihm-ийн концентраци sih3, sih2, Si болон SIH дарааллаар буурсан боловч SiH3-ийн концентраци нь SIH-ийн концентрациас хамгийн ихдээ гурав дахин их байгааг онцолсон. Робертсон нар. Сигм-ийн саармаг бүтээгдэхүүнд цэвэр силаныг голчлон өндөр чадлын цэнэг алдалтад ашигладаг бол сигм3-ийг голчлон бага чадлын цэнэг алдалтад ашигладаг гэж мэдээлсэн. Өндөрөөс бага хүртэлх концентрацийн дараалал нь SiH3, SiH, Si, SiH2 байв. Тиймээс плазмын процессын параметрүүд нь сигм-ийн саармаг бүтээгдэхүүний найрлагад хүчтэй нөлөөлдөг.

Дээрх диссоциаци ба ионжуулалтын урвалуудаас гадна ионы молекулуудын хоорондох хоёрдогч урвалууд бас маш чухал юм.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Тиймээс ионы концентрацийн хувьд sih3+ нь sih2+-ээс их байна. Энэ нь SiH4 сийвэнд sih2+ ионоос sih3+ ионууд яагаад илүү байгааг тайлбарлаж чадна.

Үүнээс гадна, сийвэн дэх устөрөгчийн атомууд SiH4 дэх устөрөгчийг барьж авах молекулын атомын мөргөлдөөний урвал явагдана.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Энэ нь экзотермик урвал бөгөөд si2h6 үүсэх урьдал нөхцөл юм. Мэдээжийн хэрэг, эдгээр бүлгүүд нь зөвхөн үндсэн төлөвт төдийгүй сийвэн дэх өдөөгдсөн төлөв рүү хөөрөгддөг. Силан плазмын ялгаралтын спектрүүд нь Si, SIH, h-ийн оптикийн хувьд зөвшөөрөгдөх шилжилтийн өдөөгдсөн төлөвүүд болон SiH2, SiH3-ийн чичиргээний өдөөгдсөн төлөвүүд байгааг харуулж байна.