பிளாஸ்மா மேம்படுத்தப்பட்ட வேதியியல் நீராவி படிவு (PECVD) இன் அடிப்படை தொழில்நுட்பம்

1. பிளாஸ்மா மேம்படுத்தப்பட்ட வேதியியல் நீராவி படிவின் முக்கிய செயல்முறைகள்

பிளாஸ்மா மேம்படுத்தப்பட்ட வேதியியல் நீராவி படிவு (PECVD) என்பது பளபளப்பு வெளியேற்ற பிளாஸ்மாவின் உதவியுடன் வாயுப் பொருட்களின் வேதியியல் வினை மூலம் மெல்லிய படலங்களை வளர்ப்பதற்கான ஒரு புதிய தொழில்நுட்பமாகும். PECVD தொழில்நுட்பம் வாயு வெளியேற்றத்தால் தயாரிக்கப்படுவதால், சமநிலையற்ற பிளாஸ்மாவின் எதிர்வினை பண்புகள் திறம்பட பயன்படுத்தப்படுகின்றன, மேலும் எதிர்வினை அமைப்பின் ஆற்றல் விநியோக முறை அடிப்படையில் மாற்றப்படுகிறது. பொதுவாக, மெல்லிய படலங்களைத் தயாரிக்க PECVD தொழில்நுட்பம் பயன்படுத்தப்படும்போது, ​​மெல்லிய படலங்களின் வளர்ச்சி முக்கியமாக பின்வரும் மூன்று அடிப்படை செயல்முறைகளை உள்ளடக்கியது.

முதலாவதாக, சமநிலையற்ற பிளாஸ்மாவில், எலக்ட்ரான்கள் முதன்மை நிலையில் வினை வாயுவுடன் வினைபுரிந்து வினை வாயுவை சிதைத்து அயனிகள் மற்றும் செயலில் உள்ள குழுக்களின் கலவையை உருவாக்குகின்றன;

இரண்டாவதாக, அனைத்து வகையான செயலில் உள்ள குழுக்களும் பரவி, படலத்தின் மேற்பரப்பு மற்றும் சுவருக்கு கொண்டு செல்லப்படுகின்றன, மேலும் வினைபடுபொருட்களுக்கு இடையிலான இரண்டாம் நிலை எதிர்வினைகள் ஒரே நேரத்தில் நிகழ்கின்றன;

இறுதியாக, வளர்ச்சி மேற்பரப்பை அடையும் அனைத்து வகையான முதன்மை மற்றும் இரண்டாம் நிலை வினைப் பொருட்களும் உறிஞ்சப்பட்டு மேற்பரப்புடன் வினைபுரிந்து, வாயு மூலக்கூறுகள் மீண்டும் வெளியிடப்படுகின்றன.

குறிப்பாக, ஒளிர்வு வெளியேற்ற முறையை அடிப்படையாகக் கொண்ட PECVD தொழில்நுட்பம், வெளிப்புற மின்காந்த புலத்தின் தூண்டுதலின் கீழ் எதிர்வினை வாயுவை அயனியாக்கம் செய்து பிளாஸ்மாவை உருவாக்குகிறது. ஒளிர்வு வெளியேற்ற பிளாஸ்மாவில், வெளிப்புற மின்சார புலத்தால் துரிதப்படுத்தப்படும் எலக்ட்ரான்களின் இயக்க ஆற்றல் பொதுவாக சுமார் 10ev அல்லது அதற்கும் அதிகமாக இருக்கும், இது வினைத்திறன் வாயு மூலக்கூறுகளின் வேதியியல் பிணைப்புகளை அழிக்க போதுமானது. எனவே, உயர் ஆற்றல் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் வினைத்திறன் வாயு மூலக்கூறுகளின் நெகிழ்ச்சியற்ற மோதலின் மூலம், வாயு மூலக்கூறுகள் அயனியாக்கம் செய்யப்படும் அல்லது சிதைக்கப்படும், இதனால் நடுநிலை அணுக்கள் மற்றும் மூலக்கூறு தயாரிப்புகள் உருவாகும். நேர்மறை அயனிகள் அயனி அடுக்கு முடுக்கி மின்சார புலத்தால் துரிதப்படுத்தப்பட்டு மேல் மின்முனையுடன் மோதுகின்றன. கீழ் மின்முனைக்கு அருகில் ஒரு சிறிய அயனி அடுக்கு மின் புலமும் உள்ளது, எனவே அடி மூலக்கூறு ஓரளவிற்கு அயனிகளால் தாக்கப்படுகிறது. இதன் விளைவாக, சிதைவால் உற்பத்தி செய்யப்படும் நடுநிலை பொருள் குழாய் சுவர் மற்றும் அடி மூலக்கூறுக்கு பரவுகிறது. சறுக்கல் மற்றும் பரவல் செயல்பாட்டில், இந்த துகள்கள் மற்றும் குழுக்கள் (வேதியியல் ரீதியாக செயல்படும் நடுநிலை அணுக்கள் மற்றும் மூலக்கூறுகள் குழுக்கள் என்று அழைக்கப்படுகின்றன) குறுகிய சராசரி இலவச பாதை காரணமாக அயனி மூலக்கூறு எதிர்வினை மற்றும் குழு மூலக்கூறு எதிர்வினைக்கு உட்படும். மூலக்கூறுகளை அடைந்து உறிஞ்சப்படும் வேதியியல் செயலில் உள்ள பொருட்களின் (முக்கியமாக குழுக்கள்) வேதியியல் பண்புகள் மிகவும் சுறுசுறுப்பாக உள்ளன, மேலும் அவற்றுக்கிடையேயான தொடர்பு மூலம் படலம் உருவாகிறது.

2. பிளாஸ்மாவில் வேதியியல் எதிர்வினைகள்

பளபளப்பு வெளியேற்ற செயல்பாட்டில் எதிர்வினை வாயுவின் தூண்டுதல் முக்கியமாக எலக்ட்ரான் மோதலால் ஏற்படுவதால், பிளாஸ்மாவில் உள்ள அடிப்படை எதிர்வினைகள் வேறுபட்டவை, மேலும் பிளாஸ்மாவிற்கும் திட மேற்பரப்புக்கும் இடையிலான தொடர்பு மிகவும் சிக்கலானது, இது PECVD செயல்முறையின் பொறிமுறையைப் படிப்பதை மிகவும் கடினமாக்குகிறது. இதுவரை, பல முக்கியமான எதிர்வினை அமைப்புகள் சிறந்த பண்புகளைக் கொண்ட படலங்களைப் பெறுவதற்கான சோதனைகள் மூலம் மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளன. PECVD தொழில்நுட்பத்தின் அடிப்படையில் சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மெல்லிய படலங்களின் படிவுக்கு, படிவு பொறிமுறையை ஆழமாக வெளிப்படுத்த முடிந்தால், பொருட்களின் சிறந்த இயற்பியல் பண்புகளை உறுதி செய்வதன் அடிப்படையில் சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மெல்லிய படலங்களின் படிவு விகிதத்தை பெரிதும் அதிகரிக்க முடியும்.

தற்போது, ​​சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மெல்லிய படலங்களின் ஆராய்ச்சியில், ஹைட்ரஜன் நீர்த்த சிலேன் (SiH4) எதிர்வினை வாயுவாக பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது, ஏனெனில் சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மெல்லிய படலங்களில் ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு ஹைட்ரஜன் உள்ளது. சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மெல்லிய படலங்களில் H மிக முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. இது பொருள் கட்டமைப்பில் தொங்கும் பிணைப்புகளை நிரப்ப முடியும், குறைபாடு ஆற்றல் மட்டத்தை வெகுவாகக் குறைக்கும், மேலும் பொருட்களின் வேலன்ஸ் எலக்ட்ரான் கட்டுப்பாட்டை எளிதில் உணர முடியும். ஸ்பியர் மற்றும் பலர் முதலில் சிலிக்கான் மெல்லிய படலங்களின் ஊக்கமருந்து விளைவை உணர்ந்து முதல் PN சந்திப்பை தயாரித்ததிலிருந்து, PECVD தொழில்நுட்பத்தை அடிப்படையாகக் கொண்ட சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மெல்லிய படலங்களின் தயாரிப்பு மற்றும் பயன்பாடு குறித்த ஆராய்ச்சி விரைவாகவும் வரம்பாகவும் உருவாக்கப்பட்டுள்ளது. எனவே, PECVD தொழில்நுட்பத்தால் டெபாசிட் செய்யப்பட்ட சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மெல்லிய படலங்களில் உள்ள வேதியியல் எதிர்வினை பின்வருவனவற்றில் விவரிக்கப்பட்டு விவாதிக்கப்படும்.

சிலேன் பிளாஸ்மாவில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் பல EV ஆற்றலைக் கொண்டிருப்பதால், பளபளப்பு வெளியேற்ற நிலையில், H2 மற்றும் SiH4 ஆகியவை முதன்மை வினையைச் சேர்ந்த எலக்ட்ரான்களால் மோதும்போது சிதைவடையும். இடைநிலை உற்சாக நிலைகளை நாம் கருத்தில் கொள்ளாவிட்டால், H உடன் sihm (M = 0,1,2,3) இன் பின்வரும் விலகல் வினைகளைப் பெறலாம்.

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)

தரை நிலை மூலக்கூறுகளின் உற்பத்தியின் நிலையான வெப்பத்தின்படி, மேற்கண்ட விலகல் செயல்முறைகளுக்கு (2.1) ~ (2.5) தேவையான ஆற்றல்கள் முறையே 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV மற்றும் 4.5 EV ஆகும். பிளாஸ்மாவில் உள்ள உயர் ஆற்றல் எலக்ட்ரான்கள் பின்வரும் அயனியாக்க எதிர்வினைகளுக்கு உட்படலாம்.

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)

(2.6) ~ (2.9) க்கு தேவையான ஆற்றல் முறையே 11.9, 12.3, 13.6 மற்றும் 15.3 EV ஆகும். வினை ஆற்றலின் வேறுபாட்டின் காரணமாக, (2.1) ~ (2.9) வினைகளின் நிகழ்தகவு மிகவும் சீரற்றதாக உள்ளது. கூடுதலாக, வினை செயல்முறையுடன் (2.1) ~ (2.5) உருவாகும் sihm அயனியாக்கம் செய்ய பின்வரும் இரண்டாம் நிலை எதிர்வினைகளுக்கு உட்படும், எடுத்துக்காட்டாக

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

மேற்கண்ட வினை ஒற்றை எலக்ட்ரான் செயல்முறை மூலம் மேற்கொள்ளப்பட்டால், தேவைப்படும் ஆற்றல் சுமார் 12 eV அல்லது அதற்கு மேற்பட்டது. 1010cm-3 எலக்ட்ரான் அடர்த்தி கொண்ட பலவீனமான அயனியாக்கம் செய்யப்பட்ட பிளாஸ்மாவில் 10ev க்கு மேல் உள்ள உயர் ஆற்றல் எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை சிலிக்கான் அடிப்படையிலான படலங்களைத் தயாரிப்பதற்கு வளிமண்டல அழுத்தத்தின் கீழ் (10-100pa) ஒப்பீட்டளவில் சிறியதாக இருப்பதால், ஒட்டுமொத்த அயனியாக்கம் நிகழ்தகவு பொதுவாக தூண்டுதல் நிகழ்தகவை விட சிறியதாக இருக்கும். எனவே, சிலேன் பிளாஸ்மாவில் மேலே உள்ள அயனியாக்கம் செய்யப்பட்ட சேர்மங்களின் விகிதம் மிகவும் சிறியது, மேலும் sihm இன் நடுநிலை குழு ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது. நிறை நிறமாலை பகுப்பாய்வு முடிவுகளும் இந்த முடிவை நிரூபிக்கின்றன [8]. போர்கார்ட் மற்றும் பலர். sihm இன் செறிவு sih3, sih2, Si மற்றும் SIH வரிசையில் குறைந்துள்ளது, ஆனால் SiH3 இன் செறிவு SIH ஐ விட அதிகபட்சம் மூன்று மடங்கு அதிகமாக இருந்தது என்று சுட்டிக்காட்டினர். ராபர்ட்சன் மற்றும் பலர். sihm இன் நடுநிலை தயாரிப்புகளில், தூய சிலேன் முக்கியமாக உயர்-சக்தி வெளியேற்றத்திற்குப் பயன்படுத்தப்பட்டது, அதே நேரத்தில் sih3 முக்கியமாக குறைந்த-சக்தி வெளியேற்றத்திற்குப் பயன்படுத்தப்பட்டது. அதிகத்திலிருந்து குறைந்த வரையிலான செறிவின் வரிசை SiH3, SiH, Si, SiH2 ஆகும். எனவே, பிளாஸ்மா செயல்முறை அளவுருக்கள் sihm நடுநிலை தயாரிப்புகளின் கலவையை கடுமையாக பாதிக்கின்றன.

மேற்கண்ட விலகல் மற்றும் அயனியாக்கம் வினைகளுக்கு மேலதிகமாக, அயனி மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான இரண்டாம் நிலை வினைகளும் மிக முக்கியமானவை.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

எனவே, அயனி செறிவைப் பொறுத்தவரை, sih3 + என்பது sih2 + ஐ விட அதிகமாகும். SiH4 பிளாஸ்மாவில் sih2 + ஐ விட sih3 + அயனிகள் அதிகமாக இருப்பதற்கான காரணத்தை இது விளக்கலாம்.

கூடுதலாக, பிளாஸ்மாவில் உள்ள ஹைட்ரஜன் அணுக்கள் SiH4 இல் உள்ள ஹைட்ரஜனைப் பிடிக்கக்கூடிய ஒரு மூலக்கூறு அணு மோதல் எதிர்வினை இருக்கும்.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

இது ஒரு வெப்ப உமிழ்வு வினை மற்றும் si2h6 உருவாவதற்கு முன்னோடியாகும். நிச்சயமாக, இந்த குழுக்கள் தரை நிலையில் மட்டுமல்ல, பிளாஸ்மாவில் உற்சாகமான நிலைக்கும் உற்சாகமாக உள்ளன. சிலேன் பிளாஸ்மாவின் உமிழ்வு நிறமாலை, Si, SIH, h இன் ஒளியியல் ரீதியாக ஏற்றுக்கொள்ளக்கூடிய நிலைமாற்ற உற்சாகமான நிலைகள் மற்றும் SiH2, SiH3 இன் அதிர்வு உற்சாகமான நிலைகள் இருப்பதைக் காட்டுகிறது.