प्लाझ्मा वर्धित रासायनिक बाष्प निक्षेपण (PECVD) चे मूलभूत तंत्रज्ञान

१. प्लाझ्मा वर्धित रासायनिक बाष्प निक्षेपणाच्या मुख्य प्रक्रिया

प्लाझ्मा वर्धित रासायनिक बाष्प निक्षेपण (PECVD) हे ग्लो डिस्चार्ज प्लाझ्माच्या मदतीने वायुरूप पदार्थांच्या रासायनिक अभिक्रियेद्वारे पातळ थर तयार करण्याचे एक नवीन तंत्रज्ञान आहे. PECVD तंत्रज्ञान वायू विसर्जनाद्वारे तयार केले जात असल्यामुळे, असंतुलित प्लाझ्माच्या अभिक्रिया वैशिष्ट्यांचा प्रभावीपणे उपयोग केला जातो आणि अभिक्रिया प्रणालीच्या ऊर्जा पुरवठा पद्धतीत मूलभूत बदल होतो. सर्वसाधारणपणे, जेव्हा PECVD तंत्रज्ञानाचा वापर पातळ थर तयार करण्यासाठी केला जातो, तेव्हा पातळ थरांच्या वाढीमध्ये प्रामुख्याने खालील तीन मूलभूत प्रक्रियांचा समावेश असतो.

सर्वप्रथम, असंतुलित प्लाझ्मामध्ये, प्राथमिक टप्प्यात इलेक्ट्रॉन अभिक्रिया वायूशी अभिक्रिया करून अभिक्रिया वायूचे विघटन करतात आणि आयन व सक्रिय गटांचे मिश्रण तयार करतात;

दुसरे म्हणजे, सर्व प्रकारचे सक्रिय गट फिल्मच्या पृष्ठभागावर आणि भिंतीवर पसरतात आणि वाहून नेले जातात आणि त्याच वेळी अभिकारकांमधील दुय्यम प्रतिक्रिया घडतात;

शेवटी, वाढीच्या पृष्ठभागावर पोहोचणारे सर्व प्रकारचे प्राथमिक आणि दुय्यम अभिक्रिया उत्पादने पृष्ठभागावर शोषली जातात आणि वायूच्या रेणूंच्या पुनर्मुक्तीसह पृष्ठभागाशी अभिक्रिया करतात.

विशेषतः, ग्लो डिस्चार्ज पद्धतीवर आधारित PECVD तंत्रज्ञान बाह्य विद्युत चुंबकीय क्षेत्राच्या उत्तेजनाखाली अभिक्रिया वायूचे आयनीकरण करून प्लाझ्मा तयार करू शकते. ग्लो डिस्चार्ज प्लाझ्मामध्ये, बाह्य विद्युत क्षेत्राने प्रवेगित केलेल्या इलेक्ट्रॉन्सची गतिज ऊर्जा साधारणपणे 10ev किंवा त्याहूनही अधिक असते, जी अभिक्रियाशील वायूच्या रेणूंचे रासायनिक बंध तोडण्यासाठी पुरेशी असते. त्यामुळे, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन्स आणि अभिक्रियाशील वायूच्या रेणूंच्या अप्रत्यास्थ टक्करीद्वारे, वायूच्या रेणूंचे आयनीकरण किंवा विघटन होऊन उदासीन अणू आणि रेणवीय उत्पादने तयार होतात. धन आयन आयन थराच्या प्रवेगक विद्युत क्षेत्राद्वारे प्रवेगित होतात आणि वरच्या इलेक्ट्रोडवर आदळतात. खालच्या इलेक्ट्रोडजवळ एक लहान आयन थर विद्युत क्षेत्र देखील असते, त्यामुळे सब्सट्रेटवर देखील काही प्रमाणात आयनांचा मारा होतो. परिणामी, विघटनाने तयार झालेला उदासीन पदार्थ ट्यूबच्या भिंतीकडे आणि सब्सट्रेटकडे पसरतो. वहन आणि प्रसाराच्या प्रक्रियेत, लहान सरासरी मुक्त मार्गामुळे हे कण आणि गट (रासायनिक दृष्ट्या सक्रिय उदासीन अणू आणि रेणूंना गट म्हणतात) आयन-रेणू अभिक्रिया आणि गट-रेणू अभिक्रिया करतात. सब्सट्रेटवर पोहोचणाऱ्या आणि अधिशोषित होणाऱ्या रासायनिक दृष्ट्या सक्रिय पदार्थांचे (मुख्यतः गटांचे) रासायनिक गुणधर्म अत्यंत सक्रिय असतात आणि त्यांच्यातील आंतरक्रियेमुळे थर तयार होतो.

२. प्लाझ्मामधील रासायनिक अभिक्रिया

ग्लो डिस्चार्ज प्रक्रियेमध्ये अभिक्रिया वायूचे उत्तेजन प्रामुख्याने इलेक्ट्रॉनच्या टक्करांमुळे होत असल्यामुळे, प्लाझ्मामधील प्राथमिक अभिक्रिया विविध प्रकारच्या असतात आणि प्लाझ्मा व घन पृष्ठभागामधील आंतरक्रिया देखील अत्यंत गुंतागुंतीची असते, ज्यामुळे PECVD प्रक्रियेच्या कार्यप्रणालीचा अभ्यास करणे अधिक कठीण होते. आतापर्यंत, आदर्श गुणधर्म असलेले थर मिळवण्यासाठी अनेक महत्त्वाच्या अभिक्रिया प्रणाली प्रयोगांद्वारे अनुकूलित (ऑप्टिमाइझ) करण्यात आल्या आहेत. PECVD तंत्रज्ञानावर आधारित सिलिकॉन-आधारित पातळ थरांच्या निक्षेपणासाठी, जर निक्षेपण कार्यप्रणाली सखोलपणे उलगडता आली, तर पदार्थांचे उत्कृष्ट भौतिक गुणधर्म सुनिश्चित करण्याच्या अटीवर सिलिकॉन-आधारित पातळ थरांचा निक्षेपण दर मोठ्या प्रमाणात वाढवता येऊ शकतो.

सध्या, सिलिकॉन-आधारित पातळ थरांच्या संशोधनात, हायड्रोजन-मिश्रित सिलेन (SiH4) हा अभिक्रिया वायू म्हणून मोठ्या प्रमाणावर वापरला जातो, कारण सिलिकॉन-आधारित पातळ थरांमध्ये हायड्रोजनचे (H) विशिष्ट प्रमाण असते. सिलिकॉन-आधारित पातळ थरांमध्ये हायड्रोजन (H) एक अत्यंत महत्त्वाची भूमिका बजावतो. तो पदार्थाच्या संरचनेतील अपूर्ण बंध (dangling bonds) भरू शकतो, दोष ऊर्जा पातळी (defect energy level) मोठ्या प्रमाणात कमी करू शकतो आणि पदार्थांच्या संयुजा इलेक्ट्रॉनचे (valence electron) नियंत्रण सहजपणे साध्य करू शकतो. स्पीअर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सिलिकॉन पातळ थरांचा डोपिंग प्रभाव सर्वप्रथम ओळखल्यापासून आणि पहिले PN जंक्शन तयार केल्यापासून, PECVD तंत्रज्ञानावर आधारित सिलिकॉन-आधारित पातळ थरांच्या निर्मिती आणि उपयोजनावरील संशोधनात प्रचंड प्रगती झाली आहे. त्यामुळे, पुढे PECVD तंत्रज्ञानाने जमा केलेल्या सिलिकॉन-आधारित पातळ थरांमधील रासायनिक अभिक्रियेचे वर्णन आणि चर्चा केली जाईल.

ग्लो डिस्चार्जच्या परिस्थितीत, सिलेन प्लाझ्मामधील इलेक्ट्रॉन्समध्ये अनेक EV पेक्षा जास्त ऊर्जा असल्यामुळे, इलेक्ट्रॉन्सशी टक्कर झाल्यावर H2 आणि SiH4 चे विघटन होते, जी प्राथमिक अभिक्रिया आहे. जर आपण मध्यवर्ती उत्तेजित अवस्था विचारात घेतल्या नाहीत, तर आपल्याला H सह sihm (M = 0,1,2,3) च्या खालील विघटन अभिक्रिया मिळतात.

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)

ग्राउंड स्टेट रेणूंच्या मानक उत्पादन उष्णतेनुसार, वरील विघटन प्रक्रिया (2.1) ~ (2.5) साठी आवश्यक ऊर्जा अनुक्रमे 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV आणि 4.5 EV आहेत. प्लाझ्मामधील उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन खालील आयनीकरण प्रतिक्रिया देखील करू 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 (2.9)

(2.6) ~ (2.9) साठी आवश्यक ऊर्जा अनुक्रमे 11.9, 12.3, 13.6 आणि 15.3 EV आहे. अभिक्रिया ऊर्जेतील फरकामुळे, (2.1) ~ (2.9) अभिक्रियांची संभाव्यता खूप असमान आहे. याव्यतिरिक्त, (2.1) ~ (2.5) अभिक्रिया प्रक्रियेने तयार झालेले sihm आयनीकृत होण्यासाठी खालील दुय्यम अभिक्रियांतून जाईल, जसे की

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

जर वरील अभिक्रिया एकल इलेक्ट्रॉन प्रक्रियेद्वारे पार पाडली गेली, तर आवश्यक ऊर्जा सुमारे 12 eV किंवा त्याहून अधिक असते. सिलिकॉन-आधारित फिल्म्सच्या निर्मितीसाठी वातावरणीय दाबाखाली (10-100pa) 10¹⁰cm⁻³ इलेक्ट्रॉन घनतेच्या दुर्बळ आयनीकृत प्लाझ्मामध्ये 10 eV पेक्षा जास्त उच्च-ऊर्जा असलेल्या इलेक्ट्रॉन्सची संख्या तुलनेने कमी असते, हे लक्षात घेता, संचयी आयनीकरण संभाव्यता सामान्यतः उत्तेजन संभाव्यतेपेक्षा कमी असते. म्हणून, सिलेन प्लाझ्मामध्ये वरील आयनीकृत संयुगांचे प्रमाण खूप कमी असते आणि sihm चा उदासीन गट प्रबळ असतो. मास स्पेक्ट्रम विश्लेषणाचे परिणाम देखील या निष्कर्षाची पुष्टी करतात [8]. बोरक्वार्ड आणि इतरांनी पुढे निदर्शनास आणले की sihm ची सांद्रता sih3, sih2, Si आणि SIH या क्रमाने कमी झाली, परंतु SiH3 ची सांद्रता SIH च्या सांद्रतेच्या जास्तीत जास्त तीन पट होती. रॉबर्टसन आणि इतरांनी... असे नोंदवले गेले आहे की SIHM च्या उदासीन उत्पादनांमध्ये, उच्च-शक्तीच्या डिस्चार्जसाठी प्रामुख्याने शुद्ध सिलेनचा, तर कमी-शक्तीच्या डिस्चार्जसाठी प्रामुख्याने SiH3 चा वापर केला गेला. सांद्रतेचा उच्च ते निम्न क्रम SiH3, SiH, Si, SiH2 असा होता. त्यामुळे, प्लाझ्मा प्रक्रियेचे मापदंड SIHM च्या उदासीन उत्पादनांच्या रचनेवर तीव्र परिणाम करतात.

वरील विघटन 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. यामुळे SiH4 प्लाझ्मामध्ये sih2+ आयनांपेक्षा sih3+ आयन जास्त का असतात याचे स्पष्टीकरण मिळू शकते.

याव्यतिरिक्त, एक आण्विक अणू टक्कर अभिक्रिया होईल ज्यामध्ये प्लाझ्मामधील हायड्रोजन अणू SiH4 मधील हायड्रोजनला पकडतील.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

ही एक उष्णतादायी अभिक्रिया असून si2h6 च्या निर्मितीसाठी एक पूर्वसूचक आहे. अर्थात, हे गट केवळ मूळ अवस्थेतच नसतात, तर प्लाझ्मामध्ये उत्तेजित अवस्थेतही जातात. सिलेन प्लाझ्माचे उत्सर्जन वर्णपट दर्शवतात की, त्यात Si, SIH, h च्या प्रकाशीय दृष्ट्या स्वीकारार्ह संक्रमण उत्तेजित अवस्था आणि SiH2, SiH3 च्या कंपनात्मक उत्तेजित अवस्था आहेत.