ప్లాస్మా ఎన్‌హాన్స్‌డ్ కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (PECVD) యొక్క ప్రాథమిక సాంకేతికత

1. ప్లాస్మా ఎన్‌హాన్స్‌డ్ కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ యొక్క ప్రధాన ప్రక్రియలు

ప్లాస్మా ఎన్‌హాన్స్‌డ్ కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (PECVD) అనేది గ్లో డిశ్చార్జ్ ప్లాస్మా సహాయంతో వాయు పదార్థాల రసాయన చర్య ద్వారా పలుచని పొరలను పెంచడానికి ఉపయోగించే ఒక కొత్త సాంకేతికత. PECVD సాంకేతికత వాయు ఉత్సర్గం ద్వారా తయారు చేయబడుతుంది కాబట్టి, అసమతుల్య ప్లాస్మా యొక్క చర్య లక్షణాలు సమర్థవంతంగా ఉపయోగించబడతాయి మరియు చర్య వ్యవస్థ యొక్క శక్తి సరఫరా విధానం ప్రాథమికంగా మార్చబడుతుంది. సాధారణంగా చెప్పాలంటే, పలుచని పొరలను తయారు చేయడానికి PECVD సాంకేతికతను ఉపయోగించినప్పుడు, పలుచని పొరల పెరుగుదలలో ప్రధానంగా ఈ క్రింది మూడు ప్రాథమిక ప్రక్రియలు ఉంటాయి.

మొదటగా, అసమతుల్య ప్లాస్మాలో, ప్రాథమిక దశలో ఎలక్ట్రాన్లు చర్య వాయువుతో చర్య జరిపి, ఆ వాయువును విచ్ఛిన్నం చేసి, అయాన్లు మరియు క్రియాశీల సమూహాల మిశ్రమాన్ని ఏర్పరుస్తాయి;

రెండవదిగా, అన్ని రకాల క్రియాశీల సమూహాలు ఫిల్మ్ యొక్క ఉపరితలం మరియు గోడకు వ్యాపించి రవాణా చేయబడతాయి, మరియు అదే సమయంలో ప్రతిచర్యల మధ్య ద్వితీయ ప్రతిచర్యలు జరుగుతాయి;

చివరగా, పెరుగుదల ఉపరితలానికి చేరే అన్ని రకాల ప్రాథమిక మరియు ద్వితీయ ప్రతిచర్య ఉత్పత్తులు శోషించబడి, ఉపరితలంతో ప్రతిచర్య జరుపుతాయి, దీనితో పాటు వాయు అణువులు తిరిగి విడుదలవుతాయి.

ప్రత్యేకంగా, గ్లో డిశ్చార్జ్ పద్ధతిపై ఆధారపడిన PECVD సాంకేతికత, బాహ్య విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క ప్రేరణతో చర్య వాయువును అయనీకరణం చేసి ప్లాస్మాను ఏర్పరచగలదు. గ్లో డిశ్చార్జ్ ప్లాస్మాలో, బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా వేగవంతం చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్ల గతి శక్తి సాధారణంగా సుమారు 10ev, లేదా అంతకంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది చర్య జరిపే వాయు అణువుల రసాయన బంధాలను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి సరిపోతుంది. అందువల్ల, అధిక-శక్తి ఎలక్ట్రాన్లు మరియు చర్య జరిపే వాయు అణువుల మధ్య జరిగే అస్థితిస్థాపక అభిఘాతం ద్వారా, వాయు అణువులు అయనీకరణం చెందుతాయి లేదా వియోగం చెంది తటస్థ పరమాణువులు మరియు అణు ఉత్పత్తులను ఏర్పరుస్తాయి. ధన అయాన్లు అయాన్ పొర యొక్క త్వరణ విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా వేగవంతం చేయబడి పై ఎలక్ట్రోడ్‌ను ఢీకొంటాయి. కింది ఎలక్ట్రోడ్ సమీపంలో కూడా ఒక చిన్న అయాన్ పొర విద్యుత్ క్షేత్రం ఉంటుంది, కాబట్టి సబ్‌స్ట్రేట్ కూడా కొంత మేరకు అయాన్ల తాకిడికి గురవుతుంది. ఫలితంగా, వియోగం ద్వారా ఉత్పత్తి అయిన తటస్థ పదార్థం ట్యూబ్ గోడ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్‌కు వ్యాపిస్తుంది. ఈ డ్రిఫ్ట్ మరియు వ్యాప్తి ప్రక్రియలో, ఈ కణాలు మరియు సమూహాలు (రసాయనికంగా చురుకైన తటస్థ పరమాణువులు మరియు అణువులను సమూహాలు అంటారు) వాటి తక్కువ సగటు స్వేచ్ఛా మార్గం కారణంగా అయాన్-అణు చర్య మరియు సమూహ-అణు చర్యకు లోనవుతాయి. సబ్‌స్ట్రేట్‌ను చేరి శోషించబడే రసాయనికంగా చురుకైన పదార్థాల (ప్రధానంగా సమూహాలు) రసాయనిక లక్షణాలు చాలా చురుకుగా ఉంటాయి మరియు వాటి మధ్య పరస్పర చర్య ద్వారా పొర ఏర్పడుతుంది.

2. ప్లాస్మాలో రసాయన ప్రతిచర్యలు

గ్లో డిశ్చార్జ్ ప్రక్రియలో రియాక్షన్ గ్యాస్ యొక్క ఉత్తేజం ప్రధానంగా ఎలక్ట్రాన్ ఘర్షణ కావడం వల్ల, ప్లాస్మాలోని ప్రాథమిక చర్యలు విభిన్నంగా ఉంటాయి మరియు ప్లాస్మాకు, ఘన ఉపరితలానికి మధ్య పరస్పర చర్య కూడా చాలా సంక్లిష్టంగా ఉంటుంది. ఇది PECVD ప్రక్రియ యొక్క యంత్రాంగాన్ని అధ్యయనం చేయడాన్ని మరింత కష్టతరం చేస్తుంది. ఇప్పటివరకు, ఆదర్శవంతమైన లక్షణాలతో కూడిన ఫిల్మ్‌లను పొందడానికి అనేక ముఖ్యమైన రియాక్షన్ వ్యవస్థలు ప్రయోగాల ద్వారా ఆప్టిమైజ్ చేయబడ్డాయి. PECVD టెక్నాలజీ ఆధారంగా సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌ల డిపాజిషన్ కోసం, డిపాజిషన్ యంత్రాంగాన్ని లోతుగా వెల్లడించగలిగితే, పదార్థాల అద్భుతమైన భౌతిక లక్షణాలను నిర్ధారించే ప్రాతిపదికన సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌ల డిపాజిషన్ రేటును గణనీయంగా పెంచవచ్చు.

ప్రస్తుతం, సిలికాన్ ఆధారిత పలుచని పొరల పరిశోధనలో, హైడ్రోజన్‌తో విలీనం చేయబడిన సిలేన్ (SiH4)ను చర్య వాయువుగా విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తున్నారు, ఎందుకంటే సిలికాన్ ఆధారిత పలుచని పొరలలో కొంత మొత్తంలో హైడ్రోజన్ ఉంటుంది. సిలికాన్ ఆధారిత పలుచని పొరలలో H చాలా ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుంది. ఇది పదార్థ నిర్మాణంలోని డాంగ్లింగ్ బంధాలను పూరించగలదు, లోప శక్తి స్థాయిని బాగా తగ్గించగలదు మరియు పదార్థాల వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ నియంత్రణను సులభంగా సాధించగలదు. స్పియర్ మరియు ఇతరులు సిలికాన్ పలుచని పొరల డోపింగ్ ప్రభావాన్ని మొదటగా గ్రహించి, మొదటి PN జంక్షన్‌ను తయారు చేసినప్పటి నుండి, PECVD సాంకేతికత ఆధారంగా సిలికాన్ ఆధారిత పలుచని పొరల తయారీ మరియు అనువర్తనంపై పరిశోధన శరవేగంగా అభివృద్ధి చెందింది. అందువల్ల, PECVD సాంకేతికత ద్వారా నిక్షేపించబడిన సిలికాన్ ఆధారిత పలుచని పొరలలోని రసాయన చర్య క్రింది భాగంలో వివరించబడి, చర్చించబడుతుంది.

గ్లో డిశ్చార్జ్ పరిస్థితిలో, సిలేన్ ప్లాస్మాలోని ఎలక్ట్రాన్‌లకు అనేక EV శక్తి కంటే ఎక్కువ ఉన్నందున, H2 మరియు SiH4 ఎలక్ట్రాన్‌లతో ఢీకొన్నప్పుడు వియోగం చెందుతాయి, ఇది ప్రాథమిక చర్యకు చెందుతుంది. మనం మధ్యంతర ఉత్తేజిత స్థితులను పరిగణనలోకి తీసుకోకపోతే, Hతో sihm (M = 0,1,2,3) యొక్క కింది వియోగ చర్యలను మనం పొందవచ్చు.

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)

గ్రౌండ్ స్టేట్ అణువుల ప్రామాణిక ఉష్ణోత్పత్తి ప్రకారం, పైన పేర్కొన్న విఘటన ప్రక్రియలకు (2.1) ~ (2.5) అవసరమైన శక్తులు వరుసగా 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV మరియు 4.5 EV. ప్లాస్మాలోని అధిక శక్తి ఎలక్ట్రాన్లు ఈ క్రింది అయనీకరణ చర్యలకు కూడా లోనవుతాయి.

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) లకు అవసరమైన శక్తి వరుసగా 11.9, 12.3, 13.6 మరియు 15.3 EV. చర్య శక్తిలో వ్యత్యాసం కారణంగా, (2.1) ~ (2.9) చర్యల సంభావ్యత చాలా అసమానంగా ఉంటుంది. అదనంగా, (2.1) ~ (2.5) చర్య ప్రక్రియతో ఏర్పడిన sihm, అయనీకరణం చెందడానికి ఈ క్రింది ద్వితీయ చర్యలకు లోనవుతుంది, అవి

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

పైన పేర్కొన్న చర్యను ఒకే ఎలక్ట్రాన్ ప్రక్రియ ద్వారా నిర్వహిస్తే, అవసరమైన శక్తి సుమారు 12 eV లేదా అంతకంటే ఎక్కువ ఉంటుంది. సిలికాన్ ఆధారిత ఫిల్మ్‌ల తయారీ కోసం వాతావరణ పీడనం (10-100pa) వద్ద 10¹⁰cm⁻³ ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత కలిగిన బలహీనంగా అయనీకరణం చెందిన ప్లాస్మాలో 10ev కంటే ఎక్కువ శక్తి గల ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య సాపేక్షంగా తక్కువగా ఉంటుంది కాబట్టి, సంచిత అయనీకరణ సంభావ్యత సాధారణంగా ఉత్తేజ సంభావ్యత కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల, సిలేన్ ప్లాస్మాలో పైన పేర్కొన్న అయనీకరణం చెందిన సమ్మేళనాల నిష్పత్తి చాలా తక్కువగా ఉంటుంది మరియు sihm యొక్క తటస్థ సమూహం ఆధిపత్యం వహిస్తుంది. మాస్ స్పెక్ట్రం విశ్లేషణ ఫలితాలు కూడా ఈ నిర్ధారణను రుజువు చేస్తాయి [8]. బోర్క్వార్డ్ మరియు ఇతరులు ఇంకా sihm యొక్క సాంద్రత sih₃, sih₂, Si మరియు SIH క్రమంలో తగ్గుతుందని, కానీ SiH₃ యొక్క సాంద్రత SIH కంటే గరిష్టంగా మూడు రెట్లు ఉంటుందని సూచించారు. రాబర్ట్‌సన్ మరియు ఇతరులు. SiHM యొక్క తటస్థ ఉత్పత్తులలో, అధిక-శక్తి డిశ్చార్జ్ కోసం ప్రధానంగా స్వచ్ఛమైన సిలేన్‌ను, తక్కువ-శక్తి డిశ్చార్జ్ కోసం ప్రధానంగా SiH3 ను ఉపయోగించారని నివేదించబడింది. అధికం నుండి తక్కువకు గాఢత క్రమం SiH3, SiH, Si, SiH2 గా ఉంది. అందువల్ల, ప్లాస్మా ప్రక్రియ పారామితులు SiHM తటస్థ ఉత్పత్తుల కూర్పును బలంగా ప్రభావితం చేస్తాయి.

పైన పేర్కొన్న విఘటన మరియు అయనీకరణ చర్యలతో పాటు, అయానిక అణువుల మధ్య జరిగే ద్వితీయ చర్యలు కూడా చాలా ముఖ్యమైనవి.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

అందువల్ల, అయాన్ గాఢత పరంగా, sih2+ కంటే sih3+ ఎక్కువగా ఉంటుంది. SiH4 ప్లాస్మాలో sih2+ అయాన్ల కంటే sih3+ అయాన్లు ఎందుకు ఎక్కువగా ఉన్నాయో ఇది వివరిస్తుంది.

దీనికి అదనంగా, ప్లాస్మాలోని హైడ్రోజన్ అణువులు SiH4లోని హైడ్రోజన్‌ను బంధించే ఒక అణు పరమాణు ఘర్షణ చర్య జరుగుతుంది.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

ఇది ఒక ఉష్ణమోచక చర్య మరియు si2h6 ఏర్పడటానికి పూర్వగామి. వాస్తవానికి, ఈ సమూహాలు భూస్థితిలో మాత్రమే కాకుండా, ప్లాస్మాలో ఉత్తేజిత స్థితికి కూడా ఉత్తేజితమవుతాయి. సిలేన్ ప్లాస్మా యొక్క ఉద్గార వర్ణపటాలు Si, SiH, h ల యొక్క దృశ్యపరంగా అనుమతించదగిన పరివర్తన ఉత్తేజిత స్థితులు మరియు SiH2, SiH3 ల యొక్క కంపన ఉత్తేజిత స్థితులు ఉన్నాయని చూపిస్తాయి.