ප්ලාස්මා වැඩි දියුණු කළ රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් කිරීමේ මූලික තාක්ෂණය (PECVD)

1. ප්ලාස්මා වැඩි දියුණු කළ රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් වීමේ ප්‍රධාන ක්‍රියාවලීන්

ප්ලාස්මා වැඩි දියුණු කළ රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් වීම (PECVD) යනු දිලිසෙන විසර්ජන ප්ලාස්මා ආධාරයෙන් වායුමය ද්‍රව්‍යවල රසායනික ප්‍රතික්‍රියා මගින් තුනී පටල වර්ධනය සඳහා වන නව තාක්‍ෂණයකි. PECVD තාක්ෂණය වායු විසර්ජනය මගින් සකස් කර ඇති බැවින්, සමතුලිත නොවන ප්ලාස්මා වල ප්‍රතික්‍රියා ලක්ෂණ ඵලදායී ලෙස භාවිතා කරන අතර, ප්‍රතික්‍රියා පද්ධතියේ බලශක්ති සැපයුම් ආකාරය මූලික වශයෙන් වෙනස් වේ. සාමාන්‍යයෙන් කිවහොත්, PECVD තාක්ෂණය තුනී පටල සකස් කිරීමට භාවිතා කරන විට, තුනී පටලවල වර්ධනයට ප්‍රධාන වශයෙන් පහත මූලික ක්‍රියාවලීන් තුන ඇතුළත් වේ.

පළමුව, සමතුලිත නොවන ප්ලාස්මාවේදී, ඉලෙක්ට්‍රෝන ප්‍රාථමික අවධියේදී ප්‍රතික්‍රියා වායුව සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කර ප්‍රතික්‍රියා වායුව වියෝජනය කර අයන සහ ක්‍රියාකාරී කාණ්ඩ මිශ්‍රණයක් සාදයි;

දෙවනුව, සියලු වර්ගවල ක්‍රියාකාරී කාණ්ඩ විසරණය වී පටලයේ මතුපිටට සහ බිත්තියට ප්‍රවාහනය වන අතර ප්‍රතික්‍රියාකාරක අතර ද්විතියික ප්‍රතික්‍රියා එකම අවස්ථාවේදීම සිදු වේ;

අවසාන වශයෙන්, වර්ධන පෘෂ්ඨයට ළඟා වන සියලු වර්ගවල ප්‍රාථමික සහ ද්විතියික ප්‍රතික්‍රියා නිෂ්පාදන අවශෝෂණය කර පෘෂ්ඨය සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කරන අතර වායුමය අණු නැවත මුදා හැරීමත් සමඟ සිදු වේ.

විශේෂයෙන්, දිලිසෙන විසර්ජන ක්‍රමය මත පදනම් වූ PECVD තාක්ෂණය මඟින් බාහිර විද්‍යුත් චුම්භක ක්ෂේත්‍රයේ උද්දීපනය යටතේ ප්‍රතික්‍රියා වායුව අයනීකරණය කර ප්ලාස්මා සෑදීමට සැලැස්විය හැකිය. දිලිසෙන විසර්ජන ප්ලාස්මාවේදී, බාහිර විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය මගින් වේගවත් කරන ලද ඉලෙක්ට්‍රෝනවල චාලක ශක්තිය සාමාන්‍යයෙන් 10ev පමණ හෝ ඊටත් වඩා වැඩි වන අතර එය ප්‍රතික්‍රියාශීලී වායු අණු වල රසායනික බන්ධන විනාශ කිරීමට ප්‍රමාණවත් වේ. එබැවින්, අධි ශක්ති ඉලෙක්ට්‍රෝන සහ ප්‍රතික්‍රියාශීලී වායු අණු වල අනම්‍ය ගැටුම හරහා, උදාසීන පරමාණු සහ අණුක නිෂ්පාදන නිපදවීම සඳහා වායු අණු අයනීකරණය හෝ වියෝජනය කරනු ලැබේ. අයන ස්ථරය ත්වරණය කරන විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය මගින් ධනාත්මක අයන වේගවත් වන අතර ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝඩය සමඟ ගැටේ. පහළ ඉලෙක්ට්‍රෝඩය අසල කුඩා අයන ස්ථර විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක් ද ඇත, එබැවින් උපස්ථරය යම් දුරකට අයන මගින් බෝම්බ හෙලනු ලැබේ. එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස, වියෝජනයෙන් නිපදවන උදාසීන ද්‍රව්‍යය නල බිත්තියට සහ උපස්ථරයට විසරණය වේ. ප්ලාවිතය සහ විසරණය කිරීමේ ක්‍රියාවලියේදී, මෙම අංශු සහ කණ්ඩායම් (රසායනිකව ක්‍රියාකාරී උදාසීන පරමාණු සහ අණු කණ්ඩායම් ලෙස හැඳින්වේ) කෙටි සාමාන්‍ය නිදහස් මාර්ගය හේතුවෙන් අයන අණු ප්‍රතික්‍රියාවට සහ කණ්ඩායම් අණු ප්‍රතික්‍රියාවට භාජනය වේ. උපස්ථරයට ළඟා වන සහ අවශෝෂණය වන රසායනික ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍යවල (ප්‍රධාන වශයෙන් කාණ්ඩ) රසායනික ගුණාංග ඉතා ක්‍රියාකාරී වන අතර, ඒවා අතර අන්තර්ක්‍රියා මගින් පටලය සෑදී ඇත.

2. ප්ලාස්මා වල රසායනික ප්‍රතික්‍රියා

දිලිසෙන විසර්ජන ක්‍රියාවලියේදී ප්‍රතික්‍රියා වායුවේ උද්දීපනය ප්‍රධාන වශයෙන් ඉලෙක්ට්‍රෝන ගැටීම නිසා, ප්ලාස්මාවේ මූලික ප්‍රතික්‍රියා විවිධ වන අතර, ප්ලාස්මාව සහ ඝන පෘෂ්ඨය අතර අන්තර්ක්‍රියා ද ඉතා සංකීර්ණ වන අතර, එමඟින් PECVD ක්‍රියාවලියේ යාන්ත්‍රණය අධ්‍යයනය කිරීම වඩාත් අපහසු වේ. මේ දක්වා, බොහෝ වැදගත් ප්‍රතික්‍රියා පද්ධති පරමාදර්ශී ගුණාංග සහිත පටල ලබා ගැනීම සඳහා අත්හදා බැලීම් මගින් ප්‍රශස්ත කර ඇත. PECVD තාක්ෂණය මත පදනම් වූ සිලිකන් මත පදනම් වූ තුනී පටල තැන්පත් කිරීම සඳහා, තැන්පත් කිරීමේ යාන්ත්‍රණය ගැඹුරින් හෙළි කළ හැකි නම්, ද්‍රව්‍යවල විශිෂ්ට භෞතික ගුණාංග සහතික කිරීමේ පදනම මත සිලිකන් මත පදනම් වූ තුනී පටල තැන්පත් කිරීමේ අනුපාතය බෙහෙවින් වැඩි කළ හැකිය.

වර්තමානයේ, සිලිකන් මත පදනම් වූ තුනී පටල පිළිබඳ පර්යේෂණයේදී, හයිඩ්‍රජන් තනුක කළ සිලේන් (SiH4) ප්‍රතික්‍රියා වායුව ලෙස බහුලව භාවිතා වේ, මන්ද සිලිකන් මත පදනම් වූ තුනී පටලවල යම් ප්‍රමාණයක හයිඩ්‍රජන් ප්‍රමාණයක් ඇත. සිලිකන් මත පදනම් වූ තුනී පටලවල H ඉතා වැදගත් කාර්යභාරයක් ඉටු කරයි. එය ද්‍රව්‍ය ව්‍යුහයේ එල්ලෙන බන්ධන පුරවා, දෝෂ ශක්ති මට්ටම බෙහෙවින් අඩු කර, ද්‍රව්‍යවල සංයුජතා ඉලෙක්ට්‍රෝන පාලනය පහසුවෙන් අවබෝධ කර ගත හැකිය. හෙල්ලය සහ වෙනත් අය මුලින්ම සිලිකන් තුනී පටලවල මාත්‍රණ ආචරණය අවබෝධ කරගෙන පළමු PN හන්දිය සකස් කළ දා සිට, PECVD තාක්ෂණය මත පදනම් වූ සිලිකන් මත පදනම් වූ තුනී පටල සකස් කිරීම සහ යෙදීම පිළිබඳ පර්යේෂණ වේගයෙන් වර්ධනය වී ඇත. එබැවින්, PECVD තාක්ෂණය මගින් තැන්පත් කරන ලද සිලිකන් මත පදනම් වූ තුනී පටලවල රසායනික ප්‍රතික්‍රියාව පහත පරිදි විස්තර කර සාකච්ඡා කරනු ඇත.

දිලිසෙන විසර්ජන තත්ත්වය යටතේ, සිලේන් ප්ලාස්මාවේ ඉලෙක්ට්‍රෝන EV ශක්තිය කිහිපයකට වඩා වැඩි බැවින්, ප්‍රාථමික ප්‍රතික්‍රියාවට අයත් ඉලෙක්ට්‍රෝන මගින් ගැටෙන විට H2 සහ SiH4 දිරාපත් වේ. අතරමැදි උද්දීපිත තත්වයන් අපි සලකා නොබලන්නේ නම්, H සමඟ sihm (M = 0,1,2,3) හි පහත විඝටන ප්‍රතික්‍රියා අපට ලබා ගත හැකිය.

ඊ+SiH4→SiH2+H2+e (2.1)

ඊ+SiH4→SiH3+ එච්+ඊ (2.2)

ඊ+SiH4→Si+2H2+e (2.3)

ඊ+SiH4→SiH+H2+H+e (2.4)

ඊ+එච්2→2එච්+ඊ (2.5)

භූමි අවස්ථා අණු නිෂ්පාදනයේ සම්මත තාපයට අනුව, ඉහත විඝටන ක්‍රියාවලීන් (2.1) ~ (2.5) සඳහා අවශ්‍ය ශක්තීන් පිළිවෙලින් 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV සහ 4.5 EV වේ. ප්ලාස්මාවේ ඇති අධි ශක්ති ඉලෙක්ට්‍රෝන පහත අයනීකරණ ප්‍රතික්‍රියා වලටද භාජනය විය හැක.

ඊ+SiH4→SiH2++H2+2e (2.6)

ඊ+SiH4→SiH3++ එච්+2ඊ (2.7)

ඊ+SiH4→Si++2H2+2e (2.8)

ඊ+SiH4→SiH+H2+H+2e (2.9)

(2.6) ~ (2.9) සඳහා අවශ්‍ය ශක්තිය පිළිවෙලින් 11.9, 12.3, 13.6 සහ 15.3 EV වේ. ප්‍රතික්‍රියා ශක්තියේ වෙනස නිසා, (2.1) ~ (2.9) ප්‍රතික්‍රියා වල සම්භාවිතාව ඉතා අසමාන වේ. ඊට අමතරව, ප්‍රතික්‍රියා ක්‍රියාවලිය (2.1) ~ (2.5) සමඟ සාදන ලද සිහ්ම් අයනීකරණය සඳහා පහත ද්විතියික ප්‍රතික්‍රියා වලට භාජනය වේ, උදාහරණයක් ලෙස

සිඑච්+ඊ→සිඑච්++2ඊ (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

ඉහත ප්‍රතික්‍රියාව තනි ඉලෙක්ට්‍රෝන ක්‍රියාවලියක් මගින් සිදු කරන්නේ නම්, අවශ්‍ය ශක්තිය 12 eV හෝ ඊට වැඩි වේ. 1010cm-3 ඉලෙක්ට්‍රෝන ඝනත්වය සහිත දුර්වල අයනීකෘත ප්ලාස්මාවේ 10ev ට වැඩි අධි ශක්ති ඉලෙක්ට්‍රෝන සංඛ්‍යාව සිලිකන් පාදක පටල සකස් කිරීම සඳහා වායුගෝලීය පීඩනය (10-100pa) යටතේ සාපේක්ෂව කුඩා බැවින්, සමුච්චිත අයනීකරණ සම්භාවිතාව සාමාන්‍යයෙන් උද්දීපන සම්භාවිතාවට වඩා කුඩා වේ. එබැවින්, සිලේන් ප්ලාස්මාවේ ඉහත අයනීකෘත සංයෝගවල අනුපාතය ඉතා කුඩා වන අතර, සිහ්ම් හි උදාසීන කාණ්ඩය ප්‍රමුඛ වේ. ස්කන්ධ වර්ණාවලි විශ්ලේෂණ ප්‍රතිඵල ද මෙම නිගමනය සනාථ කරයි [8]. බෝර්ක්වාඩ් සහ වෙනත් අය තවදුරටත් පෙන්වා දුන්නේ සිහ්ම් සාන්ද්‍රණය sih3, sih2, Si සහ SIH අනුපිළිවෙලින් අඩු වූ නමුත් SiH3 සාන්ද්‍රණය SIH ට වඩා තුන් ගුණයකින් වැඩි වූ බවයි. රොබට්සන් සහ වෙනත් අය. sihm හි උදාසීන නිෂ්පාදනවල, පිරිසිදු සිලේන් ප්‍රධාන වශයෙන් අධි බලැති විසර්ජනය සඳහා භාවිතා කරන ලද අතර, sih3 ප්‍රධාන වශයෙන් අඩු බලැති විසර්ජනය සඳහා භාවිතා කරන ලදී. ඉහළ සිට පහළ දක්වා සාන්ද්‍රණයේ අනුපිළිවෙල SiH3, SiH, Si, SiH2 විය. එබැවින්, ප්ලාස්මා ක්‍රියාවලි පරාමිතීන් sihm උදාසීන නිෂ්පාදනවල සංයුතියට දැඩි ලෙස බලපායි.

ඉහත විඝටන සහ අයනීකරණ ප්‍රතික්‍රියා වලට අමතරව, අයනික අණු අතර ද්විතියික ප්‍රතික්‍රියා ද ඉතා වැදගත් වේ.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

එබැවින්, අයන සාන්ද්‍රණය අනුව, sih3 + sih2 + ට වඩා වැඩිය. SiH4 ප්ලාස්මාවේ sih2 + අයන වලට වඩා sih3 + අයන වැඩි වන්නේ මන්දැයි එය පැහැදිලි කළ හැකිය.

ඊට අමතරව, ප්ලාස්මාවේ ඇති හයිඩ්‍රජන් පරමාණු SiH4 හි හයිඩ්‍රජන් ග්‍රහණය කර ගන්නා අණුක පරමාණු ඝට්ටන ප්‍රතික්‍රියාවක් සිදුවනු ඇත.

එච්+ සිඑච්4→සිඑච්3+එච්2 (2.14)

එය තාපදායක ප්‍රතික්‍රියාවක් වන අතර si2h6 සෑදීම සඳහා පූර්වගාමියෙකි. ඇත්ත වශයෙන්ම, මෙම කණ්ඩායම් භූමි අවස්ථාවේ පමණක් නොව, ප්ලාස්මාවේ උද්යෝගිමත් තත්ත්වයට ද උද්යෝගිමත් වේ. සිලේන් ප්ලාස්මාවේ විමෝචන වර්ණාවලිවලින් පෙන්නුම් කරන්නේ Si, SIH, h හි දෘශ්‍යමය වශයෙන් පිළිගත හැකි සංක්‍රාන්ති උද්යෝගිමත් තත්වයන් සහ SiH2, SiH3 හි කම්පන උද්යෝගිමත් තත්වයන් ඇති බවයි.