1. Hovedprosesser for plasmaforsterket kjemisk dampavsetning
Plasmaforsterket kjemisk dampavsetning (PECVD) er en ny teknologi for vekst av tynne filmer ved kjemisk reaksjon av gassformige stoffer ved hjelp av glødeutladningsplasma. Fordi PECVD-teknologi fremstilles ved gassutladning, utnyttes reaksjonsegenskapene til ikke-likevektsplasma effektivt, og energitilførselsmodusen til reaksjonssystemet endres fundamentalt. Generelt sett, når PECVD-teknologi brukes til å fremstille tynne filmer, inkluderer veksten av tynne filmer hovedsakelig følgende tre grunnleggende prosesser.
For det første, i ikke-likevektsplasmaet, reagerer elektroner med reaksjonsgassen i primærtrinnet for å dekomponere reaksjonsgassen og danne en blanding av ioner og aktive grupper;
For det andre diffunderer og transporteres alle slags aktive grupper til overflaten og veggen av filmen, og sekundærreaksjonene mellom reaktantene skjer samtidig;
Til slutt adsorberes og reagerer alle slags primære og sekundære reaksjonsprodukter som når vekstoverflaten med overflaten, ledsaget av gjenfrigjøring av gassformige molekyler.
Mer spesifikt kan PECVD-teknologi basert på glødeutladningsmetoden få reaksjonsgassen til å ionisere for å danne plasma under eksitasjon av et eksternt elektromagnetisk felt. I glødeutladningsplasma er den kinetiske energien til elektroner akselerert av et eksternt elektrisk felt vanligvis omtrent 10 EV, eller enda høyere, noe som er nok til å ødelegge de kjemiske bindingene til reaktive gassmolekyler. Derfor, gjennom den uelastiske kollisjonen av høyenergielektroner og reaktive gassmolekyler, vil gassmolekylene bli ionisert eller dekomponert for å produsere nøytrale atomer og molekylære produkter. De positive ionene akselereres av det akselererende elektriske feltet i ionlaget og kolliderer med den øvre elektroden. Det er også et lite elektrisk felt i ionlaget nær den nedre elektroden, slik at substratet også bombarderes av ioner til en viss grad. Som et resultat diffunderer det nøytrale stoffet som produseres ved dekomponering til rørveggen og substratet. I drift- og diffusjonsprosessen vil disse partiklene og gruppene (de kjemisk aktive nøytrale atomene og molekylene kalles grupper) gjennomgå ionmolekylreaksjon og gruppemolekylreaksjon på grunn av den korte gjennomsnittlige frie veien. De kjemiske egenskapene til de kjemisk aktive stoffene (hovedsakelig grupper) som når substratet og adsorberes, er svært aktive, og filmen dannes ved samspillet mellom dem.
2. Kjemiske reaksjoner i plasma
Fordi eksitasjonen av reaksjonsgassen i glødeutladningsprosessen hovedsakelig er elektronkollisjon, er de elementære reaksjonene i plasmaet forskjellige, og samspillet mellom plasmaet og den faste overflaten er også svært komplekst, noe som gjør det vanskeligere å studere mekanismen til PECVD-prosessen. Så langt har mange viktige reaksjonssystemer blitt optimalisert gjennom eksperimenter for å oppnå filmer med ideelle egenskaper. For avsetning av silisiumbaserte tynne filmer basert på PECVD-teknologi, hvis avsetningsmekanismen kan avsløres i dybden, kan avsetningshastigheten for silisiumbaserte tynne filmer økes betraktelig forutsatt at materialenes utmerkede fysiske egenskaper sikres.
For tiden, i forskning på silisiumbaserte tynne filmer, er hydrogenfortynnet silan (SiH4) mye brukt som reaksjonsgass fordi det er en viss mengde hydrogen i de silisiumbaserte tynne filmene. H2 spiller en svært viktig rolle i de silisiumbaserte tynne filmene. Det kan fylle dinglende bindinger i materialstrukturen, redusere defektenerginivået betraktelig og enkelt realisere valenselektronkontrollen i materialene. Siden Spear et al. først innså dopingeffekten av silisiumtynne filmer og fremstilte den første PN-overgangen i , har forskningen på fremstilling og anvendelse av silisiumbaserte tynne filmer basert på PECVD-teknologi utviklet seg med stormskritt. Derfor vil den kjemiske reaksjonen i silisiumbaserte tynne filmer avsatt ved hjelp av PECVD-teknologi bli beskrevet og diskutert i det følgende.
Under glødeutladningsbetingelsen, fordi elektronene i silanplasmaet har mer enn noen få EV-energier, vil H2 og SiH4 dekomponere når de kolliderer med elektroner, noe som tilhører den primære reaksjonen. Hvis vi ikke tar hensyn til de mellomliggende eksiterte tilstandene, kan vi få følgende dissosiasjonsreaksjoner av sihm (M = 0,1,2,3) med H
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)
I henhold til standard produksjonsvarme for grunntilstandsmolekyler er energiene som kreves for de ovennevnte dissosiasjonsprosessene (2.1) ~ (2.5) henholdsvis 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV og 4,5 EV. Høyenergielektroner i plasma kan også gjennomgå følgende ioniseringsreaksjoner
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)
Energien som kreves for (2.6) ~ (2.9) er henholdsvis 11.9, 12.3, 13.6 og 15.3 EV. På grunn av forskjellen i reaksjonsenergi er sannsynligheten for (2.1) ~ (2.9) reaksjoner svært ujevn. I tillegg vil SIHM-en som dannes med reaksjonsprosessen (2.1) ~ (2.5) gjennomgå følgende sekundære reaksjoner for å ionisere, som for eksempel
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Hvis reaksjonen ovenfor utføres ved hjelp av en enkelt elektronprosess, er energien som kreves omtrent 12 eV eller mer. I lys av det faktum at antallet høyenergielektroner over 10 ev i det svakt ioniserte plasmaet med en elektrontetthet på 1010 cm-3 er relativt lite under atmosfærisk trykk (10-100 pa) for fremstilling av silisiumbaserte filmer, er den kumulative ioniseringssannsynligheten generelt mindre enn eksitasjonssannsynligheten. Derfor er andelen av de ovennevnte ioniserte forbindelsene i silanplasma svært liten, og den nøytrale gruppen av sihm er dominerende. Resultatene av massespektrumanalysen bekrefter også denne konklusjonen [8]. Bourquard et al. påpekte videre at konsentrasjonen av sihm minket i størrelsesorden sih3, sih2, Si og SIH, men konsentrasjonen av SiH3 var maksimalt tre ganger høyere enn SIH. Robertson et al. rapporterte at i de nøytrale produktene av sihm ble ren silan hovedsakelig brukt til høyeffektutladning, mens sih3 hovedsakelig ble brukt til laveffektutladning. Rekkefølgen på konsentrasjonen fra høy til lav var SiH3, SiH, Si, SiH2. Derfor påvirker plasmaprosessparametrene sammensetningen av sihm-nøytrale produkter sterkt.
I tillegg til de ovennevnte dissosiasjons- og ioniseringsreaksjonene, er de sekundære reaksjonene mellom ioniske molekyler også svært viktige.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Derfor, når det gjelder ionekonsentrasjon, er sih3+ større enn sih2+. Det kan forklare hvorfor det er flere sih3+-ioner enn sih2+-ioner i SiH4-plasma.
I tillegg vil det være en molekylær atomkollisjonsreaksjon der hydrogenatomene i plasmaet fanger hydrogenet i SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Det er en eksoterm reaksjon og en forløper for dannelsen av si₂h₆. Disse gruppene er selvfølgelig ikke bare i grunntilstand, men også eksiterte til eksitert tilstand i plasmaet. Emisjonsspektrene til silanplasma viser at det finnes optisk tillatte overgangs-eksiterte tilstander for Si, SIH, h, og vibrasjons-eksiterte tilstander for SiH₂, SiH₃.
Publisert: 07.04.2021