1. Huvudprocesser för plasmaförstärkt kemisk ångavsättning
Plasmaförstärkt kemisk ångdeponering (PECVD) är en ny teknik för tillväxt av tunna filmer genom kemisk reaktion av gasformiga ämnen med hjälp av glödurladdningsplasma. Eftersom PECVD-tekniken framställs genom gasurladdning utnyttjas reaktionsegenskaperna hos icke-jämviktsplasma effektivt, och reaktionssystemets energitillförselsätt förändras fundamentalt. Generellt sett, när PECVD-teknik används för att framställa tunna filmer, inkluderar tillväxten av tunna filmer huvudsakligen följande tre grundläggande processer.
För det första, i icke-jämviktsplasman, reagerar elektroner med reaktionsgasen i det primära steget för att sönderdela reaktionsgasen och bilda en blandning av joner och aktiva grupper;
För det andra diffunderar och transporteras alla typer av aktiva grupper till ytan och filmens vägg, och de sekundära reaktionerna mellan reaktanterna sker samtidigt;
Slutligen adsorberas och reagerar alla typer av primära och sekundära reaktionsprodukter som når tillväxtytan med ytan, åtföljt av återfrisättning av gasformiga molekyler.
Mer specifikt kan PECVD-teknik baserad på glödurladdningsmetod få reaktionsgasen att joniseras för att bilda plasma under excitation av ett externt elektromagnetiskt fält. I glödurladdningsplasma är den kinetiska energin hos elektroner som accelereras av ett externt elektriskt fält vanligtvis cirka 10 EV, eller ännu högre, vilket är tillräckligt för att förstöra de kemiska bindningarna hos reaktiva gasmolekyler. Därför, genom den oelastiska kollisionen mellan högenergielektroner och reaktiva gasmolekyler, kommer gasmolekylerna att joniseras eller sönderdelas för att producera neutrala atomer och molekylära produkter. De positiva jonerna accelereras av jonskiktets accelererande elektriska fält och kolliderar med den övre elektroden. Det finns också ett litet elektriskt fält i jonskiktet nära den nedre elektroden, så substratet bombarderas också i viss utsträckning av joner. Som ett resultat diffunderar den neutrala substansen som produceras genom sönderdelning till rörväggen och substratet. I drift- och diffusionsprocessen kommer dessa partiklar och grupper (de kemiskt aktiva neutrala atomerna och molekylerna kallas grupper) att genomgå jonmolekylreaktion och gruppmolekylreaktion på grund av den korta genomsnittliga fria vägen. De kemiska egenskaperna hos de kemiskt aktiva substanserna (främst grupper) som når substratet och adsorberas är mycket aktiva, och filmen bildas genom interaktionen mellan dem.
2. Kemiska reaktioner i plasma
Eftersom excitationen av reaktionsgasen i glimurladdningsprocessen huvudsakligen sker genom elektronkollisioner, är de elementära reaktionerna i plasmat olika, och interaktionen mellan plasmat och den fasta ytan är också mycket komplex, vilket gör det svårare att studera mekanismen för PECVD-processen. Hittills har många viktiga reaktionssystem optimerats genom experiment för att erhålla filmer med ideala egenskaper. För deponering av kiselbaserade tunnfilmer baserade på PECVD-teknik, om deponeringsmekanismen kan avslöjas på djupet, kan deponeringshastigheten för kiselbaserade tunnfilmer ökas kraftigt, förutsatt att materialens utmärkta fysikaliska egenskaper säkerställs.
För närvarande, i forskningen av kiselbaserade tunnfilmer, används väteutspädd silan (SiH4) i stor utsträckning som reaktionsgas eftersom det finns en viss mängd väte i de kiselbaserade tunnfilmerna. H2 spelar en mycket viktig roll i de kiselbaserade tunnfilmerna. Det kan fylla de dinglande bindningarna i materialstrukturen, kraftigt minska defektenerginivån och enkelt realisera valenselektronkontroll i materialen. Sedan Spear et al. först insåg dopningseffekten av kiseltunnfilmer och framställde den första PN-övergången år , har forskningen om framställning och tillämpning av kiselbaserade tunnfilmer baserade på PECVD-teknik utvecklats med stormsteg. Därför kommer den kemiska reaktionen i kiselbaserade tunnfilmer som deponerats med PECVD-teknik att beskrivas och diskuteras i det följande.
Under glimurladdningsförhållanden, eftersom elektronerna i silanplasman har mer än flera EV-energier, kommer H2 och SiH4 att sönderfalla när de kolliderar med elektroner, vilket hör till den primära reaktionen. Om vi inte beaktar de mellanliggande exciterade tillstånden kan vi få följande dissociationsreaktioner av sihm (M = 0,1,2,3) med 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)
Enligt standardvärmen för produktion av grundtillståndsmolekyler är energierna som krävs för ovanstående dissociationsprocesser (2.1) ~ (2.5) 2,1, 4,1, 4,4, 5,9 EV respektive 4,5 EV. Högenergielektroner i plasma kan också genomgå följande joniseringsreaktioner
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)
Den energi som krävs för (2.6) ~ (2.9) är 11.9, 12.3, 13.6 respektive 15.3 EV. På grund av skillnaden i reaktionsenergi är sannolikheten för reaktionerna (2.1) ~ (2.9) mycket ojämn. Dessutom kommer den sihm som bildas med reaktionsprocessen (2.1) ~ (2.5) att genomgå följande sekundära reaktioner för att joniseras, såsom
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Om ovanstående reaktion utförs med hjälp av en enda elektronprocess är den energi som krävs cirka 12 eV eller mer. Med tanke på att antalet högenergielektroner över 10 ev i det svagt joniserade plasmat med en elektrondensitet på 1010 cm-3 är relativt litet under atmosfärstrycket (10-100 Pa) för framställning av kiselbaserade filmer, är den kumulativa joniseringssannolikheten generellt mindre än excitationssannolikheten. Därför är andelen av ovanstående joniserade föreningar i silanplasma mycket liten, och den neutrala gruppen av sihm är dominerande. Resultaten av masspektrumanalys bekräftar också denna slutsats [8]. Bourquard et al. påpekade vidare att koncentrationen av sihm minskade i storleksordningen sih3, sih2, Si och SIH, men koncentrationen av SiH3 var högst tre gånger så stor som för SIH. Robertson et al. rapporterade att i de neutrala produkterna av sihm användes ren silan huvudsakligen för högeffektsurladdning, medan sih3 huvudsakligen användes för lågeffektsurladdning. Ordningsföljden för koncentrationen från hög till låg var SiH3, SiH, Si, SiH2. Därför påverkar plasmaprocessparametrarna starkt sammansättningen av sihm-neutrala produkter.
Förutom ovanstående dissociations- och joniseringsreaktioner är även de sekundära reaktionerna mellan jonmolekyler mycket viktiga.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2,13)
Därför, vad gäller jonkoncentration, är sih3+ större än sih2+. Det kan förklara varför det finns fler sih3+-joner än sih2+-joner i SiH4-plasma.
Dessutom kommer det att ske en molekylär atomkollisionsreaktion där väteatomerna i plasmat fångar vätet i SiH4
H+ SiH4→SiH3+H2 (2,14)
Det är en exoterm reaktion och en föregångare till bildandet av si2h6. Naturligtvis är dessa grupper inte bara i grundtillstånd, utan exciterade också till det exciterade tillståndet i plasmat. Emissionsspektra för silanplasma visar att det finns optiskt tillåtna övergångstillstånd för Si, SIH, h, och vibrationsexciterade tillstånd för SiH2, SiH3.
Publiceringstid: 7 april 2021