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

1. Principais processos de deposição química de vapor intensificada 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 o auxílio de plasma de descarga luminescente. Como a tecnologia PECVD é preparada por descarga gasosa, 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 utilizada para preparar filmes finos, o crescimento de filmes finos inclui principalmente os três processos básicos a seguir:

Em primeiro lugar, no plasma fora do 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 se transportam 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 primários e secundários que chegam à superfície de crescimento são adsorvidos e reagem com a superfície, acompanhados pela reliberação de moléculas gasosas.

Especificamente, a tecnologia PECVD baseada no método de descarga luminescente pode fazer o gás de reação ionizar para formar plasma sob a excitação de um campo eletromagnético externo. No plasma de descarga luminescente, a energia cinética dos elétrons acelerados pelo campo elétrico externo é geralmente de cerca de 10ev, ou até maior, o que é suficiente para destruir as ligações químicas das moléculas de gás reativo. Portanto, através da colisão inelástica de elétrons de alta energia e moléculas de gás reativo, as moléculas de gás serão ionizadas ou decompostas para produzir átomos neutros e produtos moleculares. Os íons positivos são acelerados pelo campo elétrico de aceleração da camada de íons e colidem com o eletrodo superior. Há também um pequeno campo elétrico da camada de íons perto do 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 substrato. No processo de deriva e difusão, essas partículas e grupos (os átomos e moléculas neutros quimicamente ativos são chamados de grupos) sofrerão reação de molécula de íon e reação de molécula de grupo devido ao curto caminho livre médio. As propriedades químicas das substâncias químicas ativas (principalmente grupos) que atingem o 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 luminescente é principalmente por colisão de elétrons, as reações elementares no plasma são variadas e a interação entre o plasma e a superfície sólida também é muito complexa, o que dificulta o estudo do mecanismo do processo PECVD. Até o momento, 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 com a tecnologia PECVD, se o mecanismo de deposição puder ser profundamente elucidado, a taxa de deposição de filmes finos à base de silício pode ser significativamente aumentada, garantindo 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, pois há uma certa quantidade de hidrogênio nos filmes finos à base de silício. O H desempenha um papel muito importante nos filmes finos à base de silício. Ele pode preencher as ligações pendentes na estrutura do material, reduzir significativamente o nível de energia do defeito e realizar facilmente o controle de elétrons de valência dos materiais. Desde que Spear et al. perceberam pela primeira vez o efeito de dopagem de filmes finos de silício e prepararam a primeira junção PN em, a pesquisa sobre a preparação e aplicação de filmes finos à base de silício com base na tecnologia PECVD foi desenvolvida a passos largos. 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 luminescente, como os elétrons no plasma de silano têm mais de vários EV de energia, H2 e SiH4 se decompõem quando colidem 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 de moléculas no estado fundamental, as energias necessárias para os processos de dissociação (2.1) ~ (2.5) acima são 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV e 4,5 EV, respectivamente. 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 de energia de reação, a probabilidade das reações (2.1) ~ (2.9) é muito desigual. Além disso, o sihm formado com o processo de reação (2.1) ~ (2.5) sofrerá as seguintes reações secundárias para ionizar, tais 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 é de cerca de 12 eV ou mais. Em vista do 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, a probabilidade de ionização cumulativa é geralmente menor do 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 essa conclusão [8]. Bourquard et al. apontaram 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-se que, nos produtos neutros de Sihm, o silano puro foi usado principalmente para descargas de alta potência, enquanto o Sih3 foi usado principalmente para descargas 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 neutros de Sihm.

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 SiH2+ no plasma de 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)

Trata-se de uma reação exotérmica e precursora da formação de Si2H6. É claro que esses grupos não estão apenas no estado fundamental, mas também são 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.