१. प्लाझ्मा वर्धित रासायनिक वाष्प संचयनाच्या मुख्य प्रक्रिया
प्लाझ्मा एन्हांस्ड केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (PECVD) ही ग्लो डिस्चार्ज प्लाझ्माच्या मदतीने वायू पदार्थांच्या रासायनिक अभिक्रियेद्वारे पातळ फिल्म्सच्या वाढीसाठी एक नवीन तंत्रज्ञान आहे. PECVD तंत्रज्ञान वायू डिस्चार्जद्वारे तयार केले जात असल्याने, असंतुलित प्लाझ्माची प्रतिक्रिया वैशिष्ट्ये प्रभावीपणे वापरली जातात आणि प्रतिक्रिया प्रणालीची ऊर्जा पुरवठा पद्धत मूलभूतपणे बदलली जाते. सर्वसाधारणपणे, जेव्हा पातळ फिल्म्स तयार करण्यासाठी PECVD तंत्रज्ञानाचा वापर केला जातो, तेव्हा पातळ फिल्म्सच्या वाढीमध्ये प्रामुख्याने खालील तीन मूलभूत प्रक्रियांचा समावेश होतो.
प्रथम, असंतुलन नसलेल्या प्लाझ्मामध्ये, प्राथमिक अवस्थेत इलेक्ट्रॉन अभिक्रिया वायूशी अभिक्रिया करून अभिक्रिया वायूचे विघटन करतात आणि आयन आणि सक्रिय गटांचे मिश्रण तयार करतात;
दुसरे म्हणजे, सर्व प्रकारचे सक्रिय गट चित्रपटाच्या पृष्ठभागावर आणि भिंतीवर पसरतात आणि वाहून नेतात आणि अभिक्रियाकांमधील दुय्यम अभिक्रिया एकाच वेळी होतात;
शेवटी, वाढीच्या पृष्ठभागावर पोहोचणारे सर्व प्रकारचे प्राथमिक आणि दुय्यम अभिक्रिया उत्पादने शोषली जातात आणि पृष्ठभागाशी प्रतिक्रिया देतात, त्यासोबत वायू रेणूंचे पुनरुत्थान होते.
विशेषतः, ग्लो डिस्चार्ज पद्धतीवर आधारित PECVD तंत्रज्ञान बाह्य इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्डच्या उत्तेजनाखाली प्लाझ्मा तयार करण्यासाठी प्रतिक्रिया वायूचे आयनीकरण करू शकते. ग्लो डिस्चार्ज प्लाझ्मामध्ये, बाह्य विद्युत क्षेत्राद्वारे प्रवेगित इलेक्ट्रॉनची गतिज ऊर्जा साधारणपणे सुमारे 10ev किंवा त्याहूनही जास्त असते, जी प्रतिक्रियाशील वायू रेणूंच्या रासायनिक बंधांना नष्ट करण्यासाठी पुरेशी असते. म्हणून, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन आणि प्रतिक्रियाशील वायू रेणूंच्या लवचिक टक्करातून, वायू रेणूंचे आयनीकरण किंवा विघटन केले जाईल जेणेकरून तटस्थ अणू आणि आण्विक उत्पादने तयार होतील. विद्युत क्षेत्राला गती देणाऱ्या आयन थराद्वारे सकारात्मक आयन प्रवेगित होतात आणि वरच्या इलेक्ट्रोडशी टक्कर देतात. खालच्या इलेक्ट्रोडजवळ एक लहान आयन थर विद्युत क्षेत्र देखील आहे, म्हणून सब्सट्रेटवर काही प्रमाणात आयनांचा भडिमार देखील होतो. परिणामी, विघटनाने तयार होणारा तटस्थ पदार्थ ट्यूब वॉल आणि सब्सट्रेटमध्ये पसरतो. प्रवाह आणि प्रसार प्रक्रियेत, हे कण आणि गट (रासायनिकदृष्ट्या सक्रिय तटस्थ अणू आणि रेणूंना गट म्हणतात) लहान सरासरी मुक्त मार्गामुळे आयन रेणू प्रतिक्रिया आणि गट रेणू प्रतिक्रिया अनुभवतील. सब्सट्रेटपर्यंत पोहोचणाऱ्या आणि शोषलेल्या रासायनिक सक्रिय पदार्थांचे (प्रामुख्याने गटांचे) रासायनिक गुणधर्म खूप सक्रिय असतात आणि त्यांच्यातील परस्परसंवादामुळे थर तयार होतो.
२. प्लाझ्मामधील रासायनिक अभिक्रिया
ग्लो डिस्चार्ज प्रक्रियेत प्रतिक्रिया वायूची उत्तेजना प्रामुख्याने इलेक्ट्रॉन टक्कर असल्याने, प्लाझ्मामधील प्राथमिक प्रतिक्रिया विविध असतात आणि प्लाझ्मा आणि घन पृष्ठभाग यांच्यातील परस्परसंवाद देखील खूप गुंतागुंतीचा असतो, ज्यामुळे PECVD प्रक्रियेच्या यंत्रणेचा अभ्यास करणे अधिक कठीण होते. आतापर्यंत, आदर्श गुणधर्मांसह चित्रपट मिळविण्यासाठी प्रयोगांद्वारे अनेक महत्त्वाच्या प्रतिक्रिया प्रणालींना अनुकूलित केले गेले आहे. PECVD तंत्रज्ञानावर आधारित सिलिकॉन-आधारित पातळ चित्रपटांच्या निक्षेपणासाठी, जर निक्षेपण यंत्रणा खोलवर उघड केली जाऊ शकते, तर सामग्रीच्या उत्कृष्ट भौतिक गुणधर्मांची खात्री करण्याच्या आधारावर सिलिकॉन-आधारित पातळ चित्रपटांच्या निक्षेपण दरात मोठ्या प्रमाणात वाढ करता येते.
सध्या, सिलिकॉन-आधारित पातळ फिल्म्सच्या संशोधनात, हायड्रोजन डायल्युटेड सिलेन (SiH4) हा अभिक्रिया वायू म्हणून मोठ्या प्रमाणावर वापरला जातो कारण सिलिकॉन-आधारित पातळ फिल्म्समध्ये विशिष्ट प्रमाणात हायड्रोजन असते. सिलिकॉन-आधारित पातळ फिल्म्समध्ये H खूप महत्वाची भूमिका बजावते. ते भौतिक संरचनेतील लटकणारे बंध भरू शकते, दोष ऊर्जा पातळी मोठ्या प्रमाणात कमी करू शकते आणि पदार्थांचे व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन नियंत्रण सहजपणे लक्षात आणू शकते. भाला आणि इतरांनी प्रथम सिलिकॉन पातळ फिल्म्सचा डोपिंग प्रभाव ओळखला आणि पहिला PN जंक्शन तयार केला तेव्हापासून, PECVD तंत्रज्ञानावर आधारित सिलिकॉन-आधारित पातळ फिल्म्स तयार करणे आणि वापरण्यावरील संशोधन वेगाने विकसित केले गेले आहे. म्हणून, PECVD तंत्रज्ञानाद्वारे जमा केलेल्या सिलिकॉन-आधारित पातळ फिल्म्समधील रासायनिक अभिक्रियेचे वर्णन आणि चर्चा खालीलप्रमाणे केली जाईल.
ग्लो डिस्चार्ज स्थितीत, सायलेन प्लाझ्मामधील इलेक्ट्रॉनमध्ये अनेक पेक्षा जास्त EV ऊर्जा असल्याने, H2 आणि SiH4 इलेक्ट्रॉनशी टक्कर झाल्यावर विघटित होतील, जे प्राथमिक अभिक्रियेशी संबंधित आहे. जर आपण मध्यवर्ती उत्तेजित अवस्थांचा विचार केला नाही, तर आपल्याला H सह sihm (M = 0,1,2,3) च्या खालील विघटन अभिक्रिया मिळू शकतात.
e+SiH4→SiH2+H2+e (२.१)
e+SiH4→SiH3+ H+e (2.2)
e+SiH4→Si+2H2+e (2.3)
e+SiH4→SiH+H2+H+e (२.४)
e+H2→2H+e (2.5)
ग्राउंड स्टेट रेणूंच्या उत्पादनाच्या प्रमाणित उष्णतेनुसार, वरील विघटन प्रक्रियांसाठी आवश्यक असलेली ऊर्जा (2.1) ~ (2.5) अनुक्रमे 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV आणि 4.5 EV आहे. प्लाझ्मामधील उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन देखील खालील आयनीकरण अभिक्रियांमधून जाऊ शकतात.
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 (२.९)
(२.६) ~ (२.९) साठी लागणारी ऊर्जा अनुक्रमे ११.९, १२.३, १३.६ आणि १५.३ EV आहे. अभिक्रिया उर्जेच्या फरकामुळे, (२.१) ~ (२.९) अभिक्रियांची संभाव्यता खूपच असमान आहे. याव्यतिरिक्त, अभिक्रिया प्रक्रियेसह (२.१) ~ (२.५) तयार होणारा सिहम आयनीकरणासाठी खालील दुय्यम अभिक्रियांमधून जाईल, जसे की
SiH+e→SiH++2e (२.१०)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (२.१२)
जर वरील अभिक्रिया एकाच इलेक्ट्रॉन प्रक्रियेद्वारे केली गेली तर आवश्यक असलेली ऊर्जा सुमारे १२ eV किंवा त्याहून अधिक असते. सिलिकॉन-आधारित फिल्म्स तयार करण्यासाठी वातावरणीय दाबाखाली (१०-१००pa) १०१०cm-३ च्या कमकुवत आयनीकृत प्लाझ्मामध्ये १०ev वरील उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनची संख्या तुलनेने कमी असते हे लक्षात घेता, संचयी आयनीकरण संभाव्यता उत्तेजनाच्या संभाव्यतेपेक्षा सामान्यतः कमी असते. म्हणून, सिलेन प्लाझ्मामध्ये वरील आयनीकृत संयुगांचे प्रमाण खूप लहान असते आणि सिहमचा तटस्थ गट प्रबळ असतो. वस्तुमान स्पेक्ट्रम विश्लेषण निकाल देखील हा निष्कर्ष सिद्ध करतात [8]. बोरक्वार्ड आणि इतरांनी पुढे असे निदर्शनास आणून दिले की सिहमची एकाग्रता sih3, sih2, Si आणि SIH च्या क्रमाने कमी झाली, परंतु SiH3 ची एकाग्रता SIH च्या जास्तीत जास्त तिप्पट होती. रॉबर्टसन आणि इतर. सिहमच्या तटस्थ उत्पादनांमध्ये, शुद्ध सिलेनचा वापर प्रामुख्याने उच्च-शक्तीच्या डिस्चार्जसाठी केला जात असे, तर सिह3 चा वापर प्रामुख्याने कमी-शक्तीच्या डिस्चार्जसाठी केला जात असे. उच्च ते निम्न एकाग्रतेचा क्रम SiH3, SiH, Si, SiH2 होता. म्हणून, प्लाझ्मा प्रक्रिया पॅरामीटर्स सिहम तटस्थ उत्पादनांच्या रचनेवर जोरदार परिणाम करतात.
वरील पृथक्करण आणि आयनीकरण अभिक्रियांव्यतिरिक्त, आयनिक रेणूंमधील दुय्यम अभिक्रिया देखील खूप महत्त्वाच्या आहेत.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
म्हणून, आयन सांद्रतेच्या बाबतीत, sih3 + हे sih2 + पेक्षा जास्त आहे. SiH4 प्लाझ्मामध्ये sih2 + आयनांपेक्षा sih3 + आयन जास्त का आहेत हे स्पष्ट करू शकते.
याव्यतिरिक्त, एक आण्विक अणू टक्कर प्रतिक्रिया असेल ज्यामध्ये प्लाझ्मामधील हायड्रोजन अणू SiH4 मध्ये हायड्रोजन कॅप्चर करतील.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
ही एक उष्माघातीय अभिक्रिया आहे आणि si2h6 च्या निर्मितीसाठी एक पूर्वसूचक आहे. अर्थात, हे गट केवळ जमिनीच्या अवस्थेतच नाहीत तर प्लाझ्मामध्ये उत्तेजित अवस्थेत देखील उत्तेजित आहेत. सिलेन प्लाझ्माच्या उत्सर्जन स्पेक्ट्रावरून असे दिसून येते की Si, SIH, h च्या प्रकाशीयदृष्ट्या स्वीकार्य संक्रमण उत्तेजित अवस्था आणि SiH2, SiH3 च्या कंपन उत्तेजित अवस्था आहेत.
पोस्ट वेळ: एप्रिल-०७-२०२१