1. Principalele procese de depunere chimică în fază de vapori asistată de plasmă
Depunerea chimică în fază de vapori asistată de plasmă (PECVD) este o tehnologie nouă pentru creșterea peliculelor subțiri prin reacția chimică a substanțelor gazoase cu ajutorul plasmei de descărcare luminescentă. Deoarece tehnologia PECVD este preparată prin descărcare gazoasă, caracteristicile de reacție ale plasmei aflate în dezechilibru sunt utilizate eficient, iar modul de alimentare cu energie al sistemului de reacție este fundamental modificat. În general, atunci când tehnologia PECVD este utilizată pentru prepararea peliculelor subțiri, creșterea peliculelor subțiri include în principal următoarele trei procese de bază.
În primul rând, în plasma dezechilibrată, electronii reacționează cu gazul de reacție în etapa primară pentru a descompune gazul de reacție și a forma un amestec de ioni și grupări active;
În al doilea rând, tot felul de grupuri active difuzează și se transportă la suprafața și peretele peliculei, iar reacțiile secundare dintre reactanți au loc în același timp;
În final, toate tipurile de produse de reacție primare și secundare care ajung la suprafața de creștere sunt adsorbite și reacționează cu suprafața, însoțite de eliberarea din nou a moleculelor gazoase.
Mai exact, tehnologia PECVD bazată pe metoda descărcării luminescente poate face ca gazul de reacție să se ionizeze pentru a forma plasmă sub excitația unui câmp electromagnetic extern. În plasma de descărcare luminescentă, energia cinetică a electronilor accelerați de câmpul electric extern este de obicei de aproximativ 10 eV sau chiar mai mare, ceea ce este suficient pentru a distruge legăturile chimice ale moleculelor de gaz reactiv. Prin urmare, prin coliziunea inelastică a electronilor de înaltă energie și a moleculelor de gaz reactiv, moleculele de gaz vor fi ionizate sau descompuse pentru a produce atomi neutri și produse moleculare. Ionii pozitivi sunt accelerați de câmpul electric accelerat al stratului de ioni și se ciocnesc cu electrodul superior. Există, de asemenea, un câmp electric mic al stratului de ioni lângă electrodul inferior, astfel încât substratul este, de asemenea, bombardat într-o oarecare măsură de ioni. Drept urmare, substanța neutră produsă prin descompunere difuzează către peretele tubului și substrat. În procesul de derivă și difuzie, aceste particule și grupuri (atomii și moleculele neutre active chimic sunt numite grupuri) vor suferi reacții ion-molecule și reacții grup-molecule datorită drumului liber mediu scurt. Proprietățile chimice ale substanțelor chimice active (în principal grupărilor) care ajung la substrat și sunt adsorbite sunt foarte active, iar pelicula se formează prin interacțiunea dintre ele.
2. Reacții chimice în plasmă
Deoarece excitația gazului de reacție în procesul de descărcare luminiscentă este în principal o coliziune de electroni, reacțiile elementare din plasmă sunt variate, iar interacțiunea dintre plasmă și suprafața solidă este, de asemenea, foarte complexă, ceea ce face mai dificilă studierea mecanismului procesului PECVD. Până în prezent, multe sisteme de reacție importante au fost optimizate prin experimente pentru a obține pelicule cu proprietăți ideale. Pentru depunerea de pelicule subțiri pe bază de siliciu bazate pe tehnologia PECVD, dacă mecanismul de depunere poate fi dezvăluit în profunzime, rata de depunere a peliculelor subțiri pe bază de siliciu poate fi crescută considerabil, pe baza asigurării proprietăților fizice excelente ale materialelor.
În prezent, în cercetarea peliculelor subțiri pe bază de siliciu, silanul diluat cu hidrogen (SiH4) este utilizat pe scară largă ca gaz de reacție, deoarece există o anumită cantitate de hidrogen în peliculele subțiri pe bază de siliciu. H joacă un rol foarte important în peliculele subțiri pe bază de siliciu. Acesta poate umple legăturile suspendate din structura materialului, poate reduce considerabil nivelul de energie al defectelor și poate realiza cu ușurință controlul electronilor de valență ai materialelor. De când Spear și colab. au realizat pentru prima dată efectul de dopare al peliculelor subțiri de siliciu și au preparat prima joncțiune PN în , cercetarea privind prepararea și aplicarea peliculelor subțiri pe bază de siliciu bazate pe tehnologia PECVD a fost dezvoltată cu pași repezi. Prin urmare, reacția chimică în peliculele subțiri pe bază de siliciu depuse prin tehnologia PECVD va fi descrisă și discutată în cele ce urmează.
În condiții de descărcare luminescentă, deoarece electronii din plasma silanică au mai mult de câteva EV-uri de energie, H2 și SiH4 se vor descompune atunci când sunt ciocniți de electroni, ceea ce aparține reacției primare. Dacă nu luăm în considerare stările excitate intermediare, putem obține următoarele reacții de disociere ale sihm (M = 0,1,2,3) cu 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)
Conform căldurii standard de producere a moleculelor în stare fundamentală, energiile necesare pentru procesele de disociere de mai sus (2.1) ~ (2.5) sunt 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV și respectiv 4,5 EV. Electronii de înaltă energie din plasmă pot suferi, de asemenea, următoarele reacții de ionizare
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)
Energia necesară pentru (2.6) ~ (2.9) este de 11,9, 12,3, 13,6 și respectiv 15,3 EV. Datorită diferenței de energie de reacție, probabilitatea reacțiilor (2.1) ~ (2.9) este foarte inegală. În plus, sihmul format prin procesul de reacție (2.1) ~ (2.5) va suferi următoarele reacții secundare pentru a se ioniza, cum ar fi
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Dacă reacția de mai sus este efectuată prin intermediul unui proces cu un singur electron, energia necesară este de aproximativ 12 eV sau mai mult. Având în vedere faptul că numărul de electroni de înaltă energie peste 10 eV în plasma slab ionizată cu densitatea electronică de 1010 cm-3 este relativ mic sub presiunea atmosferică (10-100 Pa) pentru prepararea peliculelor pe bază de siliciu, probabilitatea cumulativă de ionizare este în general mai mică decât probabilitatea de excitație. Prin urmare, proporția compușilor ionizați de mai sus în plasma de silan este foarte mică, iar grupul neutru al sihm este dominant. Rezultatele analizei spectrului de masă dovedesc, de asemenea, această concluzie [8]. Bourquard și colab. au subliniat, de asemenea, că concentrația de sihm a scăzut în ordinea sih3, sih2, Si și SIH, dar concentrația de SiH3 a fost de cel mult trei ori mai mare decât cea a SIH. Robertson și colab. au raportat că în produsele neutre ale sihm, silanul pur a fost utilizat în principal pentru descărcări de mare putere, în timp ce sih3 a fost utilizat în principal pentru descărcări de mică putere. Ordinea concentrației, de la cea mai mare la cea mai mică, a fost SiH3, SiH, Si, SiH2. Prin urmare, parametrii procesului plasmatic afectează puternic compoziția produselor neutre cu siHM.
Pe lângă reacțiile de disociere și ionizare menționate mai sus, reacțiile secundare dintre moleculele ionice sunt, de asemenea, foarte importante.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Prin urmare, în ceea ce privește concentrația de ioni, sih3+ este mai mare decât sih2+. Acest lucru poate explica de ce există mai mulți ioni sih3+ decât ioni sih2+ în plasma de SiH4.
În plus, va avea loc o reacție de coliziune a atomilor moleculari în care atomii de hidrogen din plasmă captează hidrogenul din SiH4
H + SiH4 → SiH3 + H2 (2.14)
Este o reacție exotermă și un precursor pentru formarea Si2H6. Desigur, aceste grupări nu sunt doar în starea fundamentală, ci sunt și excitate la starea excitată în plasmă. Spectrele de emisie ale plasmei de silan arată că există stări excitate de tranziție admisibile optic pentru Si, SIH, h și stări excitate vibraționale pentru SiH2, SiH3.
Data publicării: 07 aprilie 2021