Téhnologi dasar déposisi uap kimia anu ditingkatkeun plasma (PECVD)

1. Prosés utama déposisi uap kimia anu ditingkatkeun ku plasma

Deposisi uap kimiawi anu ditingkatkeun plasma (PECVD) nyaéta téknologi anyar pikeun kamekaran pilem ipis ku réaksi kimia zat gas kalayan bantosan plasma pelepasan cahaya. Kusabab téknologi PECVD disiapkeun ku pelepasan gas, karakteristik réaksi plasma non-kasaimbangan dianggo sacara efektif, sareng mode suplai énergi sistem réaksi robih sacara fundamental. Sacara umum, nalika téknologi PECVD dianggo pikeun nyiapkeun pilem ipis, kamekaran pilem ipis utamina ngawengku tilu prosés dasar ieu.

Mimitina, dina plasma non-kasatimbangan, éléktron meta réaksi jeung gas réaksi dina tahap primér pikeun ngarecah gas réaksi sarta ngabentuk campuran ion jeung gugus aktif;

Kadua, sagala rupa gugus aktif nyebar sareng ngangkut ka permukaan sareng témbok pilem, sareng réaksi sekundér antara réaktan lumangsung dina waktos anu sami;

Pamungkas, sagala rupa produk réaksi primér sareng sekundér anu ngahontal permukaan kamekaran diserep sareng meta réaksi sareng permukaan, dibarengan ku pelepasan deui molekul gas.

Sacara husus, téknologi PECVD anu dumasar kana metode glow discharge tiasa ngajantenkeun gas réaksi ngaionisasi pikeun ngabentuk plasma dina éksitasi médan éléktromagnétik éksternal. Dina plasma glow discharge, énergi kinétik éléktron anu digancangkeun ku médan listrik éksternal biasana sakitar 10ev, atanapi bahkan langkung luhur, anu cekap pikeun ngancurkeun beungkeut kimia molekul gas réaktif. Ku alatan éta, ngaliwatan tabrakan inelastis éléktron énergi tinggi sareng molekul gas réaktif, molekul gas bakal diionisasi atanapi diuraikeun pikeun ngahasilkeun atom nétral sareng produk molekul. Ion positif digancangkeun ku médan listrik anu ngagancangkeun lapisan ion sareng tabrakan sareng éléktroda luhur. Aya ogé médan listrik lapisan ion leutik caket éléktroda handap, janten substrat ogé dibombardir ku ion dugi ka tingkat tertentu. Hasilna, zat nétral anu dihasilkeun ku dékomposisi nyebar ka témbok tabung sareng substrat. Dina prosés hanyutan sareng difusi, partikel sareng gugus ieu (atom sareng molekul nétral anu aktip sacara kimia disebut gugus) bakal ngalaman réaksi molekul ion sareng réaksi molekul gugus kusabab jalur bébas rata-rata anu pondok. Sipat kimiawi tina zat aktif kimiawi (utamina gugus) anu ngahontal substrat sareng diserep téh aktip pisan, sareng pilem éta kabentuk ku interaksi di antara aranjeunna.

2. Réaksi kimia dina plasma

Kusabab éksitasi gas réaksi dina prosés pelepasan cahaya utamina tabrakan éléktron, réaksi dasar dina plasma rupa-rupa, sareng interaksi antara plasma sareng permukaan padet ogé rumit pisan, anu ngajantenkeun langkung sesah pikeun nalungtik mékanisme prosés PECVD. Dugi ka ayeuna, seueur sistem réaksi penting anu parantos dioptimalkeun ku ékspérimén pikeun kéngingkeun pilem kalayan sipat anu idéal. Pikeun déposisi pilem ipis berbasis silikon dumasar kana téknologi PECVD, upami mékanisme déposisi tiasa diungkabkeun sacara jero, laju déposisi pilem ipis berbasis silikon tiasa ningkat pisan dina premis pikeun mastikeun sipat fisik bahan anu saé.

Ayeuna, dina panalungtikan pilem ipis basis silikon, silana hidrogén éncér (SiH4) seueur dianggo salaku gas réaksi sabab aya jumlah hidrogén anu tangtu dina pilem ipis basis silikon. H maénkeun peran anu penting pisan dina pilem ipis basis silikon. Éta tiasa ngeusian beungkeut anu ngagantung dina struktur bahan, ngirangan tingkat énergi cacad sacara signifikan, sareng gampang ngawujudkeun kontrol éléktron valénsi bahan Kusabab spear et al. mimiti ngawujudkeun pangaruh doping pilem ipis silikon sareng nyiapkeun sambungan PN munggaran dina, panalungtikan ngeunaan persiapan sareng aplikasi pilem ipis basis silikon dumasar kana téknologi PECVD parantos dikembangkeun kalayan gancang. Ku alatan éta, réaksi kimia dina pilem ipis basis silikon anu diendapkeun ku téknologi PECVD bakal dijelaskeun sareng dibahas di handap ieu.

Dina kaayaan glow discharge, kusabab éléktron dina plasma silana mibanda leuwih ti sababaraha énergi EV, H2 sareng SiH4 bakal terurai nalika aranjeunna tabrakan sareng éléktron, anu kagolong kana réaksi primér. Upami urang henteu mertimbangkeun kaayaan tereksitasi antara, urang tiasa kéngingkeun réaksi disosiasi sihm (M = 0,1,2,3) sareng 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)

Numutkeun panas produksi molekul kaayaan dasar standar, énergi anu diperyogikeun pikeun prosés disosiasi di luhur (2.1) ~ (2.5) masing-masing nyaéta 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV sareng 4.5 EV. Éléktron énergi anu luhur dina plasma ogé tiasa ngalaman réaksi ionisasi ieu.

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)

Énergi anu diperyogikeun pikeun (2.6) ~ (2.9) nyaéta 11.9, 12.3, 13.6 sareng 15.3 EV masing-masing. Kusabab bédana énergi réaksi, probabilitas réaksi (2.1) ~ (2.9) henteu rata pisan. Salian ti éta, sihm anu kabentuk ku prosés réaksi (2.1) ~ (2.5) bakal ngalaman réaksi sekundér ieu pikeun ngionisasi, sapertos

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Upami réaksi di luhur dilaksanakeun ku cara prosés éléktron tunggal, énergi anu diperyogikeun sakitar 12 eV atanapi langkung. Kusabab jumlah éléktron énergi luhur di luhur 10ev dina plasma anu terionisasi lemah kalayan kapadetan éléktron 1010cm-3 relatif alit dina tekanan atmosfir (10-100pa) pikeun persiapan pilem berbasis silikon, Probabilitas ionisasi kumulatif umumna langkung alit tibatan probabilitas eksitasi. Ku alatan éta, proporsi sanyawa terionisasi di luhur dina plasma silana alit pisan, sareng gugus nétral sihm dominan. Hasil analisis spéktrum massa ogé ngabuktikeun kacindekan ieu [8]. Bourquard et al. Salajengna nunjukkeun yén konsentrasi sihm turun dina urutan sih3, sih2, Si sareng SIH, tapi konsentrasi SiH3 paling seueur tilu kali lipat tina SIH. Robertson et al. Ngalaporkeun yén dina produk nétral sihm, silana murni utamina dianggo pikeun debit kakuatan tinggi, sedengkeun sih3 utamina dianggo pikeun debit kakuatan rendah. Urutan konsentrasi ti luhur ka handap nyaéta SiH3, SiH, Si, SiH2. Ku kituna, parameter prosés plasma mangaruhan pisan kana komposisi produk nétral sihm.

Salian ti réaksi disosiasi sareng ionisasi di luhur, réaksi sekundér antara molekul ionik ogé penting pisan.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Ku kituna, dina hal konsentrasi ion, sih3 + leuwih ti sih2 +. Éta tiasa ngajelaskeun kunaon aya langkung seueur ion sih3 + tibatan ion sih2 + dina plasma SiH4.

Salian ti éta, bakal aya réaksi tabrakan atom molekuler dimana atom hidrogén dina plasma nangkep hidrogén dina SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Ieu mangrupikeun réaksi éksotérmik sareng prékursor pikeun formasi si2h6. Tangtosna, gugus ieu henteu ngan ukur aya dina kaayaan dasar, tapi ogé tereksitasi kana kaayaan tereksitasi dina plasma. Spéktrum émisi plasma silana nunjukkeun yén aya kaayaan tereksitasi transisi anu tiasa ditampi sacara optik tina Si, SIH, h, sareng kaayaan tereksitasi vibrasional tina SiH2, SiH3.