1. Proceset kryesore të depozitimit kimik të avullit të përforcuar me plazmë
Depozitimi kimik i avullit i përforcuar me plazmë (PECVD) është një teknologji e re për rritjen e filmave të hollë me anë të reaksionit kimik të substancave të gazta me ndihmën e plazmës me shkarkim shkëlqimi. Meqenëse teknologjia PECVD përgatitet me shkarkim gazi, karakteristikat e reagimit të plazmës jo-ekuilibruese shfrytëzohen në mënyrë efektive dhe mënyra e furnizimit me energji e sistemit të reagimit ndryshohet rrënjësisht. Në përgjithësi, kur teknologjia PECVD përdoret për të përgatitur filma të hollë, rritja e filmave të hollë përfshin kryesisht tre proceset themelore të mëposhtme.
Së pari, në plazmën jo-ekuilibruese, elektronet reagojnë me gazin e reagimit në fazën primare për të zbërthyer gazin e reagimit dhe për të formuar një përzierje jonesh dhe grupesh aktive;
Së dyti, të gjitha llojet e grupeve aktive shpërndahen dhe transportohen në sipërfaqen dhe murin e filmit, dhe reaksionet sekondare midis reagentëve ndodhin në të njëjtën kohë;
Së fundmi, të gjitha llojet e produkteve të reaksionit primar dhe sekondar që arrijnë në sipërfaqen e rritjes adsorbohen dhe reagojnë me sipërfaqen, të shoqëruara me ri-çlirimin e molekulave të gazta.
Në mënyrë specifike, teknologjia PECVD e bazuar në metodën e shkarkimit me shkëlqim mund ta bëjë gazin e reagimit të jonizohet për të formuar plazmë nën ngacmimin e një fushe elektromagnetike të jashtme. Në plazmën e shkarkimit me shkëlqim, energjia kinetike e elektroneve të përshpejtuara nga fusha elektrike e jashtme është zakonisht rreth 10ev, ose edhe më e lartë, e cila është e mjaftueshme për të shkatërruar lidhjet kimike të molekulave reaktive të gazit. Prandaj, nëpërmjet përplasjes joelastike të elektroneve me energji të lartë dhe molekulave reaktive të gazit, molekulat e gazit do të jonizohen ose dekompozohen për të prodhuar atome neutrale dhe produkte molekulare. Jonet pozitive përshpejtohen nga fusha elektrike përshpejtuese e shtresës jonik dhe përplasen me elektrodën e sipërme. Ekziston gjithashtu një fushë elektrike e vogël e shtresës jonik pranë elektrodës së poshtme, kështu që substrati bombardohet gjithashtu nga jonet deri në një farë mase. Si rezultat, substanca neutrale e prodhuar nga dekompozimi shpërndahet në murin e tubit dhe substratin. Në procesin e zhvendosjes dhe difuzionit, këto grimca dhe grupe (atomet dhe molekulat neutrale kimikisht aktive quhen grupe) do t'i nënshtrohen reaksionit të molekulës jonik dhe reaksionit të molekulës grupore për shkak të rrugës së shkurtër mesatare të lirë. Vetitë kimike të substancave aktive kimike (kryesisht grupeve) që arrijnë në substrat dhe adsorbohen janë shumë aktive, dhe filmi formohet nga bashkëveprimi midis tyre.
2. Reaksionet kimike në plazmë
Meqenëse ngacmimi i gazit të reagimit në procesin e shkarkimit të shkëlqimit është kryesisht përplasje elektronesh, reaksionet elementare në plazmë janë të ndryshme, dhe bashkëveprimi midis plazmës dhe sipërfaqes së ngurtë është gjithashtu shumë kompleks, gjë që e bën më të vështirë studimin e mekanizmit të procesit PECVD. Deri më tani, shumë sisteme të rëndësishme reagimi janë optimizuar nga eksperimentet për të përftuar filma me veti ideale. Për depozitimin e filmave të hollë me bazë silikoni bazuar në teknologjinë PECVD, nëse mekanizmi i depozitimit mund të zbulohet thellë, shkalla e depozitimit të filmave të hollë me bazë silikoni mund të rritet shumë me kusht që të sigurohen veti të shkëlqyera fizike të materialeve.
Aktualisht, në kërkimin e filmave të hollë me bazë silici, silani i holluar me hidrogjen (SiH4) përdoret gjerësisht si gaz reagimi sepse ekziston një sasi e caktuar hidrogjeni në filmat e hollë me bazë silici. H luan një rol shumë të rëndësishëm në filmat e hollë me bazë silici. Ai mund të mbushë lidhjet varëse në strukturën e materialit, të zvogëlojë ndjeshëm nivelin e energjisë së defektit dhe të realizojë lehtësisht kontrollin e elektroneve të valencës së materialeve. Që kur Spear et al. kuptuan për herë të parë efektin e dopingut të filmave të hollë silici dhe përgatitën kryqëzimin e parë PN në vitin 1980, kërkimi mbi përgatitjen dhe aplikimin e filmave të hollë me bazë silici bazuar në teknologjinë PECVD është zhvilluar me hapa të mëdhenj. Prandaj, reagimi kimik në filmat e hollë me bazë silici të depozituar me teknologjinë PECVD do të përshkruhet dhe diskutohet më poshtë.
Nën kushtet e shkarkimit të shkëlqimit, për shkak se elektronet në plazmën e silanit kanë më shumë se disa energji EV, H2 dhe SiH4 do të zbërthehen kur përplasen me elektrone, gjë që i përket reaksionit primar. Nëse nuk marrim në konsideratë gjendjet e ndërmjetme të ngacmuara, mund të marrim reaksionet e mëposhtme të disociimit të sihm (M = 0,1,2,3) me 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)
Sipas nxehtësisë standarde të prodhimit të molekulave në gjendje themelore, energjitë e kërkuara për proceset e mësipërme të disociimit (2.1) ~ (2.5) janë përkatësisht 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV dhe 4.5 EV. Elektronet me energji të lartë në plazmë mund t'i nënshtrohen gjithashtu reaksioneve të mëposhtme të jonizimit
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)
Energjia e kërkuar për (2.6) ~ (2.9) është përkatësisht 11.9, 12.3, 13.6 dhe 15.3 EV. Për shkak të ndryshimit të energjisë së reagimit, probabiliteti i reaksioneve (2.1) ~ (2.9) është shumë i pabarabartë. Përveç kësaj, sihm i formuar me procesin e reagimit (2.1) ~ (2.5) do t'i nënshtrohet reaksioneve sekondare të mëposhtme për të jonizuar, siç janë
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Nëse reaksioni i mësipërm kryhet me anë të një procesi me një elektron të vetëm, energjia e kërkuar është rreth 12 eV ose më shumë. Duke pasur parasysh faktin se numri i elektroneve me energji të lartë mbi 10ev në plazmën e jonizuar dobët me dendësi elektroni prej 1010cm-3 është relativisht i vogël nën presionin atmosferik (10-100pa) për përgatitjen e filmave me bazë silikoni, probabiliteti kumulativ i jonizimit është përgjithësisht më i vogël se probabiliteti i ngacmimit. Prandaj, përqindja e përbërjeve të jonizuara të mësipërme në plazmën e silanit është shumë e vogël, dhe grupi neutral i sihm është dominues. Rezultatet e analizës së spektrit të masës gjithashtu vërtetojnë këtë përfundim [8]. Bourquard et al. theksuan më tej se përqendrimi i sihm u ul në rendin e sih3, sih2, Si dhe SIH, por përqendrimi i SiH3 ishte maksimumi tre herë më i lartë se ai i SIH. Robertson et al. raportuan se në produktet neutrale të sihm, silani i pastër u përdor kryesisht për shkarkim me fuqi të lartë, ndërsa sih3 u përdor kryesisht për shkarkim me fuqi të ulët. Renditja e përqendrimit nga më i larti në më të ulëtin ishte SiH3, SiH, Si, SiH2. Prandaj, parametrat e procesit të plazmës ndikojnë fuqishëm në përbërjen e produkteve neutrale të sihm.
Përveç reaksioneve të mësipërme të disociimit dhe jonizimit, reaksionet sekondare midis molekulave jonike janë gjithashtu shumë të rëndësishme.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Prandaj, për sa i përket përqendrimit të joneve, sih3+ është më shumë se sih2+. Kjo mund të shpjegojë pse ka më shumë jone sih3+ sesa jone sih2+ në plazmën SiH4.
Përveç kësaj, do të ketë një reaksion përplasjeje të atomeve molekulare në të cilin atomet e hidrogjenit në plazmë kapin hidrogjenin në SiH4.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Është një reaksion ekzotermik dhe një pararendës për formimin e si2h6. Sigurisht, këto grupe nuk janë vetëm në gjendjen bazë, por janë edhe të ngacmuara në gjendjen e ngacmuar në plazmë. Spektrat e emisionit të plazmës silane tregojnë se ekzistojnë gjendje të ngacmuara në tranzicion optikisht të pranueshme të Si, SIH, h, dhe gjendje të ngacmuara vibruese të SiH2, SiH3.
Koha e postimit: 07 Prill 2021