प्लाज्मा एन्हान्स्ड केमिकल वाष्प निक्षेपण (PECVD) को आधारभूत प्रविधि

१. प्लाज्मा बृद्धि गरिएको रासायनिक वाष्प निक्षेपणको मुख्य प्रक्रियाहरू

प्लाज्मा एन्हान्स्ड केमिकल वाष्प निक्षेपण (PECVD) ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्माको सहयोगमा ग्यासयुक्त पदार्थहरूको रासायनिक प्रतिक्रियाद्वारा पातलो फिल्महरूको वृद्धिको लागि एक नयाँ प्रविधि हो। PECVD प्रविधि ग्यास डिस्चार्जद्वारा तयार गरिएको हुनाले, सन्तुलन नभएको प्लाज्माको प्रतिक्रिया विशेषताहरू प्रभावकारी रूपमा प्रयोग गरिन्छ, र प्रतिक्रिया प्रणालीको ऊर्जा आपूर्ति मोड मौलिक रूपमा परिवर्तन हुन्छ। सामान्यतया, जब PECVD प्रविधि पातलो फिल्महरू तयार गर्न प्रयोग गरिन्छ, पातलो फिल्महरूको वृद्धिमा मुख्यतया निम्न तीन आधारभूत प्रक्रियाहरू समावेश हुन्छन्।

पहिलो, असंतुलन नभएको प्लाज्मामा, इलेक्ट्रोनहरूले प्राथमिक चरणमा प्रतिक्रिया ग्याससँग प्रतिक्रिया गरेर प्रतिक्रिया ग्यासलाई विघटन गर्छन् र आयनहरू र सक्रिय समूहहरूको मिश्रण बनाउँछन्;

दोस्रो, सबै प्रकारका सक्रिय समूहहरू फिल्मको सतह र भित्तामा फैलिन्छन् र ढुवानी गर्छन्, र प्रतिक्रियाकर्ताहरू बीचको माध्यमिक प्रतिक्रियाहरू एकै समयमा हुन्छन्;

अन्तमा, वृद्धि सतहमा पुग्ने सबै प्रकारका प्राथमिक र माध्यमिक प्रतिक्रिया उत्पादनहरू सोसिन्छन् र सतहसँग प्रतिक्रिया गर्छन्, जसको साथमा ग्यासीय अणुहरू पुन: रिलीज हुन्छन्।

विशेष गरी, ग्लो डिस्चार्ज विधिमा आधारित PECVD प्रविधिले बाह्य विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रको उत्तेजना अन्तर्गत प्रतिक्रिया ग्यासलाई प्लाज्मा बनाउन आयनाइज गर्न सक्छ। ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मामा, बाह्य विद्युत क्षेत्रद्वारा गतिशील इलेक्ट्रोनहरूको गतिज ऊर्जा सामान्यतया लगभग 10ev, वा अझ बढी हुन्छ, जुन प्रतिक्रियाशील ग्यास अणुहरूको रासायनिक बन्धनहरू नष्ट गर्न पर्याप्त हुन्छ। त्यसकारण, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रोनहरू र प्रतिक्रियाशील ग्यास अणुहरूको अइलास्टिक टक्कर मार्फत, ग्यास अणुहरू तटस्थ परमाणुहरू र आणविक उत्पादनहरू उत्पादन गर्न आयनाइज्ड वा विघटित हुनेछन्। सकारात्मक आयनहरू विद्युत क्षेत्रलाई गति दिने आयन तहद्वारा गतिमान हुन्छन् र माथिल्लो इलेक्ट्रोडसँग ठोक्किन्छन्। तल्लो इलेक्ट्रोड नजिकै एउटा सानो आयन तह विद्युत क्षेत्र पनि छ, त्यसैले सब्सट्रेटमा केही हदसम्म आयनहरूद्वारा बमबारी पनि गरिन्छ। फलस्वरूप, विघटनबाट उत्पादित तटस्थ पदार्थ ट्यूब भित्ता र सब्सट्रेटमा फैलिन्छ। बहाव र प्रसारको प्रक्रियामा, यी कणहरू र समूहहरू (रासायनिक रूपमा सक्रिय तटस्थ परमाणुहरू र अणुहरूलाई समूह भनिन्छ) छोटो औसत मुक्त मार्गको कारणले आयन अणु प्रतिक्रिया र समूह अणु प्रतिक्रियाबाट गुज्रनेछन्। सब्सट्रेटमा पुग्ने र सोस्ने रासायनिक सक्रिय पदार्थहरू (मुख्यतया समूहहरू) को रासायनिक गुणहरू धेरै सक्रिय हुन्छन्, र तिनीहरू बीचको अन्तरक्रियाबाट फिल्म बनाइन्छ।

२. प्लाज्मामा रासायनिक प्रतिक्रियाहरू

ग्लो डिस्चार्ज प्रक्रियामा प्रतिक्रिया ग्यासको उत्तेजना मुख्यतया इलेक्ट्रोन टक्कर हुने भएकोले, प्लाज्मामा हुने प्राथमिक प्रतिक्रियाहरू विभिन्न हुन्छन्, र प्लाज्मा र ठोस सतह बीचको अन्तरक्रिया पनि धेरै जटिल हुन्छ, जसले गर्दा PECVD प्रक्रियाको संयन्त्रको अध्ययन गर्न गाह्रो हुन्छ। अहिलेसम्म, आदर्श गुणहरू भएका फिल्महरू प्राप्त गर्न प्रयोगहरूद्वारा धेरै महत्त्वपूर्ण प्रतिक्रिया प्रणालीहरूलाई अनुकूलित गरिएको छ। PECVD प्रविधिमा आधारित सिलिकन-आधारित पातलो फिल्महरूको निक्षेपणको लागि, यदि निक्षेपण संयन्त्रलाई गहिरो रूपमा प्रकट गर्न सकिन्छ भने, सामग्रीहरूको उत्कृष्ट भौतिक गुणहरू सुनिश्चित गर्ने आधारमा सिलिकन-आधारित पातलो फिल्महरूको निक्षेपण दर धेरै बढाउन सकिन्छ।

हाल, सिलिकन-आधारित पातलो फिल्महरूको अनुसन्धानमा, हाइड्रोजन पातलो सिलेन (SiH4) लाई प्रतिक्रिया ग्यासको रूपमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ किनभने सिलिकन-आधारित पातलो फिल्महरूमा हाइड्रोजनको निश्चित मात्रा हुन्छ। सिलिकन-आधारित पातलो फिल्महरूमा H ले धेरै महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ। यसले सामग्री संरचनामा झुन्डिएका बन्धनहरू भर्न सक्छ, दोष ऊर्जा स्तरलाई धेरै कम गर्न सक्छ, र सामग्रीको भ्यालेन्स इलेक्ट्रोन नियन्त्रण सजिलै महसुस गर्न सक्छ। भाला एट अलले पहिलो पटक सिलिकन पातलो फिल्महरूको डोपिङ प्रभाव महसुस गरेदेखि र पहिलो PN जंक्शन तयार गरेदेखि, PECVD प्रविधिमा आधारित सिलिकन-आधारित पातलो फिल्महरूको तयारी र प्रयोगमा अनुसन्धान छलांग र सीमाहरू द्वारा विकसित गरिएको छ। त्यसकारण, PECVD प्रविधिद्वारा जम्मा गरिएको सिलिकन-आधारित पातलो फिल्महरूमा रासायनिक प्रतिक्रियालाई निम्नमा वर्णन र छलफल गरिनेछ।

ग्लो डिस्चार्ज अवस्थामा, सिलेन प्लाज्मामा इलेक्ट्रोनहरूमा धेरै भन्दा बढी EV ऊर्जा हुने भएकाले, H2 र SiH4 इलेक्ट्रोनहरूद्वारा ठोक्किँदा विघटन हुनेछन्, जुन प्राथमिक प्रतिक्रियासँग सम्बन्धित छ। यदि हामीले मध्यवर्ती उत्तेजित अवस्थाहरूलाई विचार गर्दैनौं भने, हामी H सँग sihm (M = 0,1,2,3) को निम्न विघटन प्रतिक्रियाहरू प्राप्त गर्न सक्छौं।

e+SiH4→SiH2+H2+e (२.१)

e+SiH4→SiH3+ H+e (२.२)

e+SiH4→Si+2H2+e (२.३)

e+SiH4→SiH+H2+H+e (२.४)

e+H2→2H+e (२.५)

ग्राउन्ड स्टेट अणुहरूको उत्पादनको मानक ताप अनुसार, माथिका विघटन प्रक्रियाहरू (२.१) ~ (२.५) को लागि आवश्यक ऊर्जा क्रमशः २.१, ४.१, ४.४, ५.९ EV र ४.५ EV छन्। प्लाज्मामा उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रोनहरूले पनि निम्न आयनीकरण प्रतिक्रियाहरूबाट गुज्रन सक्छन्।

e+SiH4→SiH2++H2+2e (२.६)

e+SiH4→SiH3++ H+2e (२.७)

e+SiH4→Si++2H2+2e (२.८)

e+SiH4→SiH++H2+H+2e (२.९)

(२.६) ~ (२.९) को लागि आवश्यक ऊर्जा क्रमशः ११.९, १२.३, १३.६ र १५.३ EV छ। प्रतिक्रिया ऊर्जाको भिन्नताको कारणले गर्दा, (२.१) ~ (२.९) प्रतिक्रियाहरूको सम्भावना धेरै असमान छ। यसको अतिरिक्त, प्रतिक्रिया प्रक्रिया (२.१) ~ (२.५) सँग बनेको सिहमले आयनीकरण गर्न निम्न माध्यमिक प्रतिक्रियाहरू पार गर्नेछ, जस्तै

SiH+e→SiH++2e (२.१०)

SiH2+e→SiH2++2e (२.११)

SiH3+e→SiH3++2e (२.१२)

यदि माथिको प्रतिक्रिया एकल इलेक्ट्रोन प्रक्रिया मार्फत गरिन्छ भने, आवश्यक ऊर्जा लगभग १२ eV वा सोभन्दा बढी हुन्छ। सिलिकन-आधारित फिल्महरूको तयारीको लागि वायुमण्डलीय चाप (१०-१००pa) अन्तर्गत १०१०cm-३ को कमजोर आयनीकृत प्लाज्मामा १०ev भन्दा माथिको उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रोनहरूको संख्या तुलनात्मक रूपमा सानो हुने तथ्यलाई ध्यानमा राख्दै, संचयी आयनीकरण सम्भाव्यता सामान्यतया उत्तेजना सम्भाव्यता भन्दा सानो हुन्छ। त्यसकारण, सिलेन प्लाज्मामा माथिको आयनीकृत यौगिकहरूको अनुपात धेरै सानो छ, र सिह्मको तटस्थ समूह प्रमुख छ। मास स्पेक्ट्रम विश्लेषण परिणामहरूले पनि यो निष्कर्षलाई प्रमाणित गर्दछ [8]। बोरक्वार्ड एट अल। थप औंल्याए कि सिह्मको सांद्रता sih3, sih2, Si र SIH को क्रममा घट्यो, तर SiH3 को सांद्रता SIH को भन्दा बढीमा तीन गुणा थियो। रोबर्टसन एट अल। रिपोर्ट गरिएको छ कि सिह्मको तटस्थ उत्पादनहरूमा, शुद्ध सिलेन मुख्यतया उच्च-शक्ति डिस्चार्जको लागि प्रयोग गरिएको थियो, जबकि सिह३ मुख्यतया कम-शक्ति डिस्चार्जको लागि प्रयोग गरिएको थियो। उच्च देखि निम्न सम्मको सांद्रताको क्रम SiH3, SiH, Si, SiH2 थियो। त्यसकारण, प्लाज्मा प्रक्रिया प्यारामिटरहरूले सिह्म तटस्थ उत्पादनहरूको संरचनालाई कडा रूपमा असर गर्छ।

माथि उल्लेखित पृथक्करण र आयनीकरण प्रतिक्रियाहरूको अतिरिक्त, आयनिक अणुहरू बीचको माध्यमिक प्रतिक्रियाहरू पनि धेरै महत्त्वपूर्ण छन्।

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

त्यसकारण, आयन सांद्रताको हिसाबले, sih3 + sih2 + भन्दा बढी छ। यसले SiH4 प्लाज्मामा sih2 + आयनहरू भन्दा sih3 + आयनहरू किन बढी छन् भनेर व्याख्या गर्न सक्छ।

यसको अतिरिक्त, त्यहाँ एक आणविक परमाणु टक्कर प्रतिक्रिया हुनेछ जसमा प्लाज्मामा हाइड्रोजन परमाणुहरूले SiH4 मा हाइड्रोजन कब्जा गर्नेछन्।

H+ SiH4→SiH3+H2 (२.१४)

यो एक एक्जोथर्मिक प्रतिक्रिया हो र si2h6 को गठनको लागि अग्रदूत हो। अवश्य पनि, यी समूहहरू केवल जमिनको अवस्थामा मात्र छैनन्, तर प्लाज्मामा उत्तेजित अवस्थामा पनि उत्तेजित छन्। सिलेन प्लाज्माको उत्सर्जन स्पेक्ट्राले देखाउँछ कि Si, SIH, h को अप्टिकली स्वीकार्य संक्रमण उत्तेजित अवस्थाहरू र SiH2, SiH3 को कम्पन उत्तेजित अवस्थाहरू छन्।