Teknologi asas pemendapan wap kimia yang dipertingkatkan plasma (PECVD)

1. Proses utama pemendapan wap kimia yang dipertingkatkan plasma

Pemendapan wap kimia yang dipertingkatkan plasma (PECVD) ialah teknologi baharu untuk pertumbuhan filem nipis melalui tindak balas kimia bahan gas dengan bantuan plasma nyahcas cahaya. Oleh kerana teknologi PECVD disediakan melalui nyahcas gas, ciri tindak balas plasma bukan keseimbangan digunakan secara berkesan, dan mod bekalan tenaga sistem tindak balas berubah secara asas. Secara amnya, apabila teknologi PECVD digunakan untuk menyediakan filem nipis, pertumbuhan filem nipis terutamanya merangkumi tiga proses asas berikut

Pertama, dalam plasma bukan keseimbangan, elektron bertindak balas dengan gas tindak balas pada peringkat utama untuk menguraikan gas tindak balas dan membentuk campuran ion dan kumpulan aktif;

Kedua, semua jenis kumpulan aktif meresap dan diangkut ke permukaan dan dinding filem, dan tindak balas sekunder antara bahan tindak balas berlaku pada masa yang sama;

Akhirnya, semua jenis produk tindak balas primer dan sekunder yang sampai ke permukaan pertumbuhan diserap dan bertindak balas dengan permukaan, disertai dengan pembebasan semula molekul gas.

Secara khususnya, teknologi PECVD berdasarkan kaedah nyahcas cahaya boleh menyebabkan gas tindak balas mengion untuk membentuk plasma di bawah pengujaan medan elektromagnet luaran. Dalam plasma nyahcas cahaya, tenaga kinetik elektron yang dipercepatkan oleh medan elektrik luaran biasanya kira-kira 10ev, atau lebih tinggi lagi, yang cukup untuk memusnahkan ikatan kimia molekul gas reaktif. Oleh itu, melalui perlanggaran tak elastik elektron bertenaga tinggi dan molekul gas reaktif, molekul gas akan terion atau terurai untuk menghasilkan atom neutral dan produk molekul. Ion positif dipercepatkan oleh medan elektrik yang memecut lapisan ion dan berlanggar dengan elektrod atas. Terdapat juga medan elektrik lapisan ion kecil berhampiran elektrod bawah, jadi substrat juga dihujani oleh ion sehingga tahap tertentu. Akibatnya, bahan neutral yang dihasilkan oleh penguraian meresap ke dinding tiub dan substrat. Dalam proses hanyutan dan resapan, zarah dan kumpulan ini (atom dan molekul neutral yang aktif secara kimia dipanggil kumpulan) akan menjalani tindak balas molekul ion dan tindak balas molekul kumpulan disebabkan oleh laluan bebas purata yang pendek. Sifat kimia bahan aktif kimia (terutamanya kumpulan) yang mencapai substrat dan diserap adalah sangat aktif, dan filem terbentuk melalui interaksi antara mereka.

2. Tindak balas kimia dalam plasma

Oleh kerana pengujaan gas tindak balas dalam proses nyahcas cahaya terutamanya adalah perlanggaran elektron, tindak balas asas dalam plasma adalah pelbagai, dan interaksi antara plasma dan permukaan pepejal juga sangat kompleks, yang menjadikannya lebih sukar untuk mengkaji mekanisme proses PECVD. Setakat ini, banyak sistem tindak balas penting telah dioptimumkan melalui eksperimen untuk mendapatkan filem dengan sifat ideal. Untuk pemendapan filem nipis berasaskan silikon berdasarkan teknologi PECVD, jika mekanisme pemendapan dapat didedahkan secara mendalam, kadar pemendapan filem nipis berasaskan silikon dapat ditingkatkan dengan ketara dengan premis memastikan sifat fizikal bahan yang sangat baik.

Pada masa ini, dalam penyelidikan filem nipis berasaskan silikon, silana hidrogen cair (SiH4) digunakan secara meluas sebagai gas tindak balas kerana terdapat sejumlah hidrogen dalam filem nipis berasaskan silikon. H memainkan peranan yang sangat penting dalam filem nipis berasaskan silikon. Ia boleh mengisi ikatan tergantung dalam struktur bahan, mengurangkan tahap tenaga kecacatan dengan ketara, dan dengan mudah merealisasikan kawalan elektron valens bahan. Sejak Spear et al. mula menyedari kesan doping filem nipis silikon dan menyediakan simpang PN pertama pada tahun 2000, penyelidikan mengenai penyediaan dan aplikasi filem nipis berasaskan silikon berdasarkan teknologi PECVD telah dibangunkan dengan pesat. Oleh itu, tindak balas kimia dalam filem nipis berasaskan silikon yang dimendapkan oleh teknologi PECVD akan diterangkan dan dibincangkan dalam bahagian berikut.

Di bawah keadaan nyahcas cahaya, kerana elektron dalam plasma silana mempunyai lebih daripada beberapa tenaga EV, H2 dan SiH4 akan terurai apabila ia berlanggar dengan elektron, yang tergolong dalam tindak balas primer. Jika kita tidak mempertimbangkan keadaan teruja pertengahan, kita boleh mendapatkan tindak balas penceraian sihm (M = 0,1,2,3) dengan H berikut.

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)

Mengikut haba piawai penghasilan molekul keadaan dasar, tenaga yang diperlukan untuk proses penceraian di atas (2.1) ~ (2.5) masing-masing ialah 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV dan 4.5 EV. Elektron bertenaga tinggi dalam plasma juga boleh menjalani tindak balas pengionan berikut

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)

Tenaga yang diperlukan untuk (2.6) ~ (2.9) masing-masing ialah 11.9, 12.3, 13.6 dan 15.3 EV. Disebabkan oleh perbezaan tenaga tindak balas, kebarangkalian tindak balas (2.1) ~ (2.9) adalah sangat tidak sekata. Di samping itu, sihm yang terbentuk dengan proses tindak balas (2.1) ~ (2.5) akan menjalani tindak balas sekunder berikut untuk mengion, seperti

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Jika tindak balas di atas dijalankan melalui proses elektron tunggal, tenaga yang diperlukan adalah kira-kira 12 eV atau lebih. Memandangkan bilangan elektron bertenaga tinggi melebihi 10ev dalam plasma terion lemah dengan ketumpatan elektron 1010cm-3 adalah agak kecil di bawah tekanan atmosfera (10-100pa) untuk penyediaan filem berasaskan silikon, kebarangkalian pengionan kumulatif secara amnya lebih kecil daripada kebarangkalian pengujaan. Oleh itu, perkadaran sebatian terion di atas dalam plasma silana adalah sangat kecil, dan kumpulan neutral sihm adalah dominan. Keputusan analisis spektrum jisim juga membuktikan kesimpulan ini [8]. Bourquard et al. Selanjutnya menunjukkan bahawa kepekatan sihm menurun dalam susunan sih3, sih2, Si dan SIH, tetapi kepekatan SiH3 adalah paling banyak tiga kali ganda daripada SIH. Robertson et al. Melaporkan bahawa dalam produk neutral sihm, silana tulen digunakan terutamanya untuk nyahcas berkuasa tinggi, manakala sih3 digunakan terutamanya untuk nyahcas berkuasa rendah. Urutan kepekatan dari tinggi ke rendah ialah SiH3, SiH, Si, SiH2. Oleh itu, parameter proses plasma sangat mempengaruhi komposisi produk neutral sihm.

Selain tindak balas penceraian dan pengionan di atas, tindak balas sekunder antara molekul ionik juga sangat penting.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Oleh itu, dari segi kepekatan ion, sih3 + adalah lebih daripada sih2 +. Ia dapat menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak ion sih3 + daripada ion sih2 + dalam plasma SiH4.

Di samping itu, akan berlaku tindak balas perlanggaran atom molekul di mana atom hidrogen dalam plasma menangkap hidrogen dalam SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Ia merupakan tindak balas eksotermik dan prekursor untuk pembentukan si2h6. Sudah tentu, kumpulan ini bukan sahaja berada dalam keadaan dasar, tetapi juga teruja kepada keadaan teruja dalam plasma. Spektrum pancaran plasma silana menunjukkan bahawa terdapat keadaan teruja peralihan yang boleh diterima secara optik bagi Si, SIH, h, dan keadaan teruja getaran bagi SiH2, SiH3.