1. Главни процеси хемијског таложења из парне фазе помоћу плазме
Плазма појачана хемијско таложење из парне фазе (PECVD) је нова технологија за раст танких филмова хемијском реакцијом гасовитих супстанци уз помоћ плазме тлећег пражњења. Пошто се PECVD технологија припрема гасним пражњењем, реакционе карактеристике неравнотежне плазме се ефикасно користе, а начин снабдевања енергијом реакционог система се фундаментално мења. Генерално говорећи, када се PECVD технологија користи за припрему танких филмова, раст танких филмова углавном укључује следећа три основна процеса.
Прво, у неравнотежној плазми, електрони реагују са реакционим гасом у примарној фази да би разложили реакциони гас и формирали смешу јона и активних група;
Друго, све врсте активних група дифундују и транспортују се до површине и зида филма, а секундарне реакције између реактаната се одвијају истовремено;
Коначно, све врсте примарних и секундарних реакционих производа који доспевају до површине раста се адсорбују и реагују са површином, праћено поновним ослобађањем гасовитих молекула.
Конкретно, PECVD технологија заснована на методи сијајућег пражњења може учинити да реакциони гас јонизује и формира плазму под утицајем спољашњег електромагнетног поља. У плазми сијајућег пражњења, кинетичка енергија електрона убрзаних спољашњим електричним пољем је обично око 10 ev, или чак и више, што је довољно да уништи хемијске везе реактивних молекула гаса. Стога, кроз нееластични судар високоенергетских електрона и реактивних молекула гаса, молекули гаса ће бити јонизовани или разложени да би се произвели неутрални атоми и молекуларни производи. Позитивни јони се убрзавају електричним пољем које убрзава јонски слој и сударају се са горњом електродом. Постоји и мало електрично поље јонског слоја у близини доње електроде, тако да је подлога такође донекле бомбардована јонима. Као резултат тога, неутрална супстанца настала разлагањем дифундује до зида цеви и подлоге. У процесу дрифта и дифузије, ове честице и групе (хемијски активни неутрални атоми и молекули називају се групе) ће проћи кроз реакцију јонских молекула и реакцију групских молекула због кратког просечног слободног пута. Хемијска својства хемијски активних супстанци (углавном група) које доспевају до подлоге и адсорбују се су веома активна, а филм се формира интеракцијом између њих.
2. Хемијске реакције у плазми
Пошто је побуђивање реакционог гаса у процесу сијајућег пражњења углавном судар електрона, елементарне реакције у плазми су различите, а интеракција између плазме и чврсте површине је такође веома сложена, што отежава проучавање механизма PECVD процеса. До сада су многи важни реакциони системи оптимизовани експериментима како би се добили филмови са идеалним својствима. За таложење танких филмова на бази силицијума помоћу PECVD технологије, ако се механизам таложења може дубоко открити, брзина таложења танких филмова на бази силицијума може се значајно повећати под претпоставком да се обезбеђују одлична физичка својства материјала.
Тренутно, у истраживању танких филмова на бази силицијума, силан разблажен водоником (SiH4) се широко користи као реакциони гас јер постоји одређена количина водоника у танким филмовима на бази силицијума. H игра веома важну улогу у танким филмовима на бази силицијума. Он може да попуни висеће везе у структури материјала, значајно смањи ниво енергије дефеката и лако оствари контролу валентних електрона у материјалима. Од када су Спир и др. први схватили ефекат допирања танких филмова силицијума и припремили први PN спој 2000. године, истраживање припреме и примене танких филмова на бази силицијума заснованих на PECVD технологији је напредовало скоковито. Стога ће хемијска реакција у танким филмовима на бази силицијума депонованим PECVD технологијом бити описана и размотрена у наставку.
Под условима сијајућег пражњења, пошто електрони у силанској плазми имају више од неколико EV енергије, H2 и SiH4 ће се разложити када се сударе са електронима, што припада примарној реакцији. Ако не узмемо у обзир средња побуђена стања, можемо добити следеће реакције дисоцијације siHm (M = 0,1,2,3) са H
е+SiH4→SiH2+H2+е (2.1)
е+SiH4→SiH3+ H+е (2.2)
е+SiH4→Si+2H2+е (2.3)
е+SiH4→SiH+H2+H+е (2.4)
е+Х2→2Х+е (2,5)
Према стандардној топлоти производње молекула основног стања, енергије потребне за горе наведене процесе дисоцијације (2.1) ~ (2.5) су 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV и 4,5 EV респективно. Електрони високе енергије у плазми такође могу проћи кроз следеће реакције јонизације.
е+SiH4→SiH2++H2+2e (2.6)
е+SiH4→SiH3++ H+2e (2,7)
е+SiH4→Si++2H2+2e (2.8)
е+SiH4→SiH++H2+H+2e (2.9)
Енергија потребна за (2.6) ~ (2.9) је 11.9, 12.3, 13.6 и 15.3 EV респективно. Због разлике у енергији реакције, вероватноћа реакција (2.1) ~ (2.9) је веома неуједначена. Поред тога, sihm формиран реакционим процесом (2.1) ~ (2.5) ће проћи кроз следеће секундарне реакције јонизације, као што су
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Ако се горе наведена реакција спроводи помоћу процеса са једним електроном, потребна енергија је око 12 eV или више. С обзиром на чињеницу да је број високоенергетских електрона изнад 10 ev у слабо јонизованој плазми са густином електрона од 1010 cm⁻³ релативно мали под атмосферским притиском (10⁻¹⁰ Pa) за припрему филмова на бази силицијума, кумулативна вероватноћа јонизације је генерално мања од вероватноће побуђивања. Стога је удео горе наведених јонизованих једињења у силанској плазми веома мали, а неутрална група sihm је доминантна. Резултати анализе масеног спектра такође потврђују овај закључак [8]. Буркард и др. су даље истакли да се концентрација sihm смањивала редом sih3, sih2, Si и SIH, али је концентрација SiH3 била највише три пута већа од концентрације SIH. Робертсон и др. су известили да се у неутралним производима sihm, чисти силан углавном користио за пражњење велике снаге, док се sih3 углавном користио за пражњење мале снаге. Редослед концентрација од највише до најниже био је SiH3, SiH, Si, SiH2. Стога, параметри плазма процеса снажно утичу на састав sihm неутралних производа.
Поред горе наведених реакција дисоцијације и јонизације, секундарне реакције између јонских молекула су такође веома важне
СиХ2＋+СиХ4→СиХ3++СиХ3 (2,13)
Стога, у погледу концентрације јона, sih3+ је већи од sih2+. То може објаснити зашто у SiH4 плазми има више sih3+ јона него sih2+ јона.
Поред тога, доћи ће до реакције судара молекуларних атома у којој атоми водоника у плазми хватају водоник у SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
То је егзотермна реакција и прекурсор за формирање si2h6. Наравно, ове групе нису само у основном стању, већ су и побуђене у побуђено стање у плазми. Емисиони спектри силанске плазме показују да постоје оптички прихватљива прелазна побуђена стања Si, SIH, h и вибрационо побуђена стања SiH2, SiH3
Време објаве: 07.04.2021.