1. Belangrijkste processen van plasmaversterkte chemische dampdepositie
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) is een nieuwe technologie voor de groei van dunne films door middel van een chemische reactie van gasvormige stoffen met behulp van een gloeiontladingsplasma. Omdat PECVD-technologie wordt geproduceerd door middel van gasontlading, worden de reactiekarakteristieken van niet-evenwichtsplasma effectief benut en verandert de energievoorziening van het reactiesysteem fundamenteel. Wanneer PECVD-technologie wordt gebruikt voor de productie van dunne films, omvat de groei van dunne films in principe de volgende drie basisprocessen:
Ten eerste reageren elektronen in het niet-evenwichtsplasma met het reactiegas in de primaire fase om het reactiegas te ontbinden en een mengsel van ionen en actieve groepen te vormen;
Ten tweede diffunderen en transporteren allerlei actieve groepen naar het oppervlak en de wand van de film, en de secundaire reacties tussen de reactanten vinden tegelijkertijd plaats;
Tenslotte worden allerlei primaire en secundaire reactieproducten die het groeioppervlak bereiken, geadsorbeerd en reageren met het oppervlak, waarbij gasvormige moleculen weer vrijkomen.
Specifiek kan PECVD-technologie, gebaseerd op de gloeiontladingsmethode, het reactiegas ioniseren om plasma te vormen onder invloed van een extern elektromagnetisch veld. In een gloeiontladingsplasma is de kinetische energie van elektronen die versneld worden door een extern elektrisch veld gewoonlijk ongeveer 10 ev, of zelfs hoger, wat voldoende is om de chemische bindingen van reactieve gasmoleculen te vernietigen. Door de inelastische botsing van hoogenergetische elektronen en reactieve gasmoleculen zullen de gasmoleculen dus geïoniseerd of ontbonden worden om neutrale atomen en moleculaire producten te produceren. De positieve ionen worden versneld door het versnellende elektrische veld van de ionenlaag en botsen met de bovenste elektrode. Er is ook een klein elektrisch veld in de ionenlaag nabij de onderste elektrode, waardoor het substraat ook in zekere mate door ionen wordt gebombardeerd. Als gevolg hiervan diffundeert de neutrale substantie die door de ontleding ontstaat naar de buiswand en het substraat. Tijdens het proces van drift en diffusie ondergaan deze deeltjes en groepen (de chemisch actieve neutrale atomen en moleculen worden groepen genoemd) een ion-molecuulreactie en een groeps-molecuulreactie vanwege de korte gemiddelde vrije weglengte. De chemische eigenschappen van de chemisch actieve stoffen (voornamelijk groepen) die het substraat bereiken en worden geadsorbeerd, zijn zeer actief, en de film wordt gevormd door de interactie tussen hen.
2. Chemische reacties in plasma
Omdat de excitatie van het reactiegas in het glimontladingsproces voornamelijk bestaat uit elektronenbotsingen, zijn de elementaire reacties in het plasma divers en is de interactie tussen het plasma en het vaste oppervlak eveneens zeer complex. Dit maakt het lastiger om het mechanisme van het PECVD-proces te bestuderen. Tot nu toe zijn veel belangrijke reactiesystemen experimenteel geoptimaliseerd om films met ideale eigenschappen te verkrijgen. Voor de depositie van dunne siliciumfilms op basis van PECVD-technologie kan, indien het depositiemechanisme diepgaand wordt ontrafeld, de depositiesnelheid van dunne siliciumfilms aanzienlijk worden verhoogd, met als voorwaarde de uitstekende fysische eigenschappen van de materialen te garanderen.
Momenteel wordt in het onderzoek naar dunne siliciumfilms met waterstof verdund silaan (SiH4) veel gebruikt als reactiegas, omdat er een bepaalde hoeveelheid waterstof in dunne siliciumfilms aanwezig is. H speelt een zeer belangrijke rol in dunne siliciumfilms. Het kan de losse verbindingen in de materiaalstructuur opvullen, het defectenergieniveau aanzienlijk verlagen en de valentie-elektronencontrole van de materialen eenvoudig realiseren. Sinds Spear et al. voor het eerst het doteringseffect van dunne siliciumfilms ontdekten en de eerste PN-overgang in 1964 vervaardigden, heeft het onderzoek naar de bereiding en toepassing van dunne siliciumfilms op basis van PECVD-technologie een enorme vlucht genomen. Daarom zal de chemische reactie in dunne siliciumfilms, afgezet met PECVD-technologie, hieronder worden beschreven en besproken.
Onder glimontladingsomstandigheden, omdat de elektronen in het silaanplasma meer dan een paar EV energie hebben, zullen H2 en SiH4 ontbinden wanneer ze door elektronen worden gebotst, wat tot de primaire reactie behoort. Als we de tussenliggende aangeslagen toestanden buiten beschouwing laten, kunnen we de volgende dissociatiereacties van sihm (M = 0,1,2,3) met H krijgen.
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)
Volgens de standaardproductiewarmte van moleculen in de grondtoestand zijn de energieën die nodig zijn voor de bovenstaande dissociatieprocessen (2.1) ~ (2.5) respectievelijk 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV en 4,5 EV. Hoogenergetische elektronen in plasma kunnen ook de volgende ionisatiereacties ondergaan:
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)
De benodigde energie voor (2.6) ~ (2.9) is respectievelijk 11,9, 12,3, 13,6 en 15,3 EV. Vanwege het verschil in reactie-energie is de waarschijnlijkheid van (2.1) ~ (2.9)-reacties zeer ongelijk. Bovendien zal de sihm die gevormd wordt met het reactieproces (2.1) ~ (2.5) de volgende secundaire reacties ondergaan om te ioniseren, zoals:
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Nederlands Als de bovenstaande reactie wordt uitgevoerd door middel van een enkel elektronproces, is de benodigde energie ongeveer 12 eV of meer. Gezien het feit dat het aantal elektronen met hoge energie boven 10 eV in het zwak geïoniseerde plasma met een elektronendichtheid van 1010 cm-3 relatief klein is onder de atmosferische druk (10-100 pa) voor de bereiding van op silicium gebaseerde films, is de cumulatieve ionisatiewaarschijnlijkheid over het algemeen kleiner dan de excitatiewaarschijnlijkheid. Daarom is het aandeel van de bovengenoemde geïoniseerde verbindingen in silaanplasma erg klein en is de neutrale groep van sihm dominant. De resultaten van de massaspectrumanalyse bewijzen ook deze conclusie [8]. Bourquard et al. wezen er verder op dat de concentratie van sihm afnam in de volgorde van sih3, sih2, Si en SIH, maar de concentratie van SiH3 was maximaal drie keer die van SIH. Robertson et al. Gerapporteerd werd dat in de neutrale SiHM-producten zuiver silaan voornamelijk werd gebruikt voor ontlading met hoog vermogen, terwijl SiH3 voornamelijk werd gebruikt voor ontlading met laag vermogen. De concentratievolgorde van hoog naar laag was SiH3, SiH, Si, SiH2. Daarom hebben de parameters van het plasmaproces een sterke invloed op de samenstelling van neutrale SiHM-producten.
Naast de bovengenoemde dissociatie- en ionisatiereacties zijn ook de secundaire reacties tussen ionische moleculen van groot belang
SiH2+SiH4 →SiH3++SiH3 (2,13)
Qua ionenconcentratie is sih3+ dus groter dan sih2+. Dit kan verklaren waarom er meer sih3+-ionen dan sih2+-ionen in SiH4-plasma aanwezig zijn.
Bovendien zal er een botsingsreactie tussen moleculaire atomen plaatsvinden waarbij de waterstofatomen in het plasma de waterstof in SiH4 vangen
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Het is een exotherme reactie en een voorloper van de vorming van si2h6. Deze groepen bevinden zich uiteraard niet alleen in de grondtoestand, maar ook in de geëxciteerde toestand in het plasma. De emissiespectra van silaanplasma laten zien dat er optisch toelaatbare overgangsgeëxciteerde toestanden zijn van Si, SIH, h, en vibrerende geëxciteerde toestanden van SiH2, SiH3.
Plaatsingstijd: 07-04-2021