Tecnologia básica de deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD)

1. Principais processos de deposição química de vapor aprimorada por plasma

A deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) é uma nova tecnologia para o crescimento de filmes finos por reação química de substâncias gasosas com a ajuda de plasma de descarga luminosa.Como a tecnologia PECVD é preparada por descarga de gás, as características de reação do plasma fora de equilíbrio são efetivamente utilizadas e o modo de fornecimento de energia do sistema de reação é fundamentalmente alterado.De modo geral, quando a tecnologia PECVD é usada para preparar filmes finos, o crescimento de filmes finos inclui principalmente os seguintes três processos básicos

Em primeiro lugar, no plasma fora de equilíbrio, os elétrons reagem com o gás de reação no estágio primário para decompor o gás de reação e formar uma mistura de íons e grupos ativos;

Em segundo lugar, todos os tipos de grupos ativos se difundem e são transportados para a superfície e a parede do filme, e as reações secundárias entre os reagentes ocorrem ao mesmo tempo;

Finalmente, todos os tipos de produtos de reação primária e secundária que atingem a superfície de crescimento são adsorvidos e reagem com a superfície, acompanhados pela liberação de moléculas gasosas.

Especificamente, a tecnologia PECVD baseada no método de descarga luminosa pode fazer com que o gás de reação ionize para formar plasma sob a excitação do campo eletromagnético externo.No plasma de descarga luminosa, a energia cinética dos elétrons acelerados pelo campo elétrico externo é geralmente cerca de 10ev, ou até mais, o que é suficiente para destruir as ligações químicas das moléculas reativas do gás.Portanto, através da colisão inelástica de elétrons de alta energia e moléculas reativas de gás, as moléculas de gás serão ionizadas ou decompostas para produzir átomos neutros e produtos moleculares.Os íons positivos são acelerados pela camada de íons que acelera o campo elétrico e colidem com o eletrodo superior.Há também um pequeno campo elétrico da camada iônica próximo ao eletrodo inferior, de modo que o substrato também é bombardeado por íons até certo ponto.Como resultado, a substância neutra produzida pela decomposição difunde-se para a parede do tubo e para o substrato.No processo de deriva e difusão, essas partículas e grupos (os átomos e moléculas neutras quimicamente ativas são chamados de grupos) sofrerão reação de molécula de íon e reação de molécula de grupo devido ao caminho livre médio curto.As propriedades químicas das substâncias químicas ativas (principalmente grupos) que chegam ao substrato e são adsorvidas são muito ativas, e o filme é formado pela interação entre elas.

2. Reações químicas no plasma

Como a excitação do gás de reação no processo de descarga luminosa é principalmente a colisão de elétrons, as reações elementares no plasma são diversas e a interação entre o plasma e a superfície sólida também é muito complexa, o que torna mais difícil estudar o mecanismo do processo PECVD.Até agora, muitos sistemas de reação importantes foram otimizados por meio de experimentos para obter filmes com propriedades ideais.Para a deposição de filmes finos à base de silício baseados na tecnologia PECVD, se o mecanismo de deposição puder ser profundamente revelado, a taxa de deposição de filmes finos à base de silício poderá ser bastante aumentada com a premissa de garantir as excelentes propriedades físicas dos materiais.

Atualmente, na pesquisa de filmes finos à base de silício, o silano diluído em hidrogênio (SiH4) é amplamente utilizado como gás de reação porque há uma certa quantidade de hidrogênio nos filmes finos à base de silício.H desempenha um papel muito importante nos filmes finos à base de silício.Ele pode preencher as ligações pendentes na estrutura do material, reduzir bastante o nível de energia do defeito e realizar facilmente o controle eletrônico de valência dos materiais. Já que Spear et al.Percebendo pela primeira vez o efeito dopante dos filmes finos de silício e preparando a primeira junção PN, a pesquisa sobre a preparação e aplicação de filmes finos à base de silício com base na tecnologia PECVD foi desenvolvida aos trancos e barrancos.Portanto, a reação química em filmes finos à base de silício depositados pela tecnologia PECVD será descrita e discutida a seguir.

Sob a condição de descarga luminosa, como os elétrons no plasma de silano têm mais do que vários EV de energia, H2 e SiH4 se decomporão quando colidirem com elétrons, o que pertence à reação primária.Se não considerarmos os estados excitados intermediários, podemos obter as seguintes reações de dissociação de sihm (M = 0,1,2,3) com 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)

De acordo com o calor padrão de produção das moléculas do estado fundamental, as energias necessárias para os processos de dissociação acima (2.1) ~ (2.5) são 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV e 4,5 EV respectivamente.Os elétrons de alta energia no plasma também podem sofrer as seguintes reações de ionização

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)

A energia necessária para (2,6) ~ (2,9) é 11,9, 12,3, 13,6 e 15,3 EV respectivamente.Devido à diferença na energia da reação, a probabilidade de (2,1) ~ (2,9) reações é muito desigual.Além disso, o sihm formado com o processo de reação (2.1) ~ (2.5) sofrerá as seguintes reações secundárias para ionizar, como

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Se a reação acima for realizada por meio de um processo de elétron único, a energia necessária será de cerca de 12 eV ou mais.Tendo em vista o fato de que o número de elétrons de alta energia acima de 10ev no plasma fracamente ionizado com densidade eletrônica de 1010cm-3 é relativamente pequeno sob a pressão atmosférica (10-100pa) para a preparação de filmes à base de silício, o cumulativo a probabilidade de ionização é geralmente menor que a probabilidade de excitação.Portanto, a proporção dos compostos ionizados acima no plasma de silano é muito pequena e o grupo neutro de sihm é dominante.Os resultados da análise de espectro de massa também comprovam esta conclusão [8].Bourquard et al.Apontou ainda que a concentração de sihm diminuiu na ordem de sih3, sih2, Si e SIH, mas a concentração de SiH3 foi no máximo três vezes maior que a de SIH.Robertson et al.Relatou que nos produtos neutros do sihm, o silano puro foi usado principalmente para descarga de alta potência, enquanto o sih3 foi usado principalmente para descarga de baixa potência.A ordem de concentração de alta para baixa foi SiH3, SiH, Si, SiH2.Portanto, os parâmetros do processo de plasma afetam fortemente a composição dos produtos sihm neutros.

Além das reações de dissociação e ionização acima, as reações secundárias entre moléculas iônicas também são muito importantes

SiH2++SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Portanto, em termos de concentração de íons, sih3+ é maior que sih2+.Isso pode explicar por que há mais íons sih3+ do que íons sih2+ no plasma SiH4.

Além disso, haverá uma reação de colisão de átomos moleculares na qual os átomos de hidrogênio no plasma capturam o hidrogênio no SiH4

H+SiH4→SiH3+H2 (2.14)

É uma reação exotérmica e precursora da formação de si2h6.É claro que esses grupos não estão apenas no estado fundamental, mas também excitados para o estado excitado no plasma.Os espectros de emissão do plasma de silano mostram que existem estados excitados de transição opticamente admissíveis de Si, SIH, h, e estados excitados vibracionais de SiH2, SiH3