ప్లాస్మా ఎన్హాన్స్డ్ కెమికల్ వేపర్ డిపాజిషన్ (PECVD) యొక్క ప్రాథమిక సాంకేతికత

1. ప్లాస్మా యొక్క ప్రధాన ప్రక్రియలు రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణను మెరుగుపరిచాయి

ప్లాస్మా ఎన్హాన్స్డ్ కెమికల్ వేపర్ డిపాజిషన్ (PECVD) అనేది గ్లో డిశ్చార్జ్ ప్లాస్మా సహాయంతో వాయు పదార్థాల రసాయన ప్రతిచర్య ద్వారా సన్నని పొరల పెరుగుదలకు ఒక కొత్త సాంకేతికత. PECVD సాంకేతికత గ్యాస్ డిశ్చార్జ్ ద్వారా తయారు చేయబడినందున, సమతుల్యత లేని ప్లాస్మా యొక్క ప్రతిచర్య లక్షణాలు సమర్థవంతంగా ఉపయోగించబడతాయి మరియు ప్రతిచర్య వ్యవస్థ యొక్క శక్తి సరఫరా విధానం ప్రాథమికంగా మార్చబడుతుంది. సాధారణంగా చెప్పాలంటే, సన్నని పొరలను తయారు చేయడానికి PECVD సాంకేతికతను ఉపయోగించినప్పుడు, సన్నని పొరల పెరుగుదల ప్రధానంగా ఈ క్రింది మూడు ప్రాథమిక ప్రక్రియలను కలిగి ఉంటుంది.

మొదటగా, సమతుల్యత లేని ప్లాస్మాలో, ఎలక్ట్రాన్లు ప్రాథమిక దశలో ప్రతిచర్య వాయువుతో చర్య జరిపి ప్రతిచర్య వాయువును కుళ్ళిపోయి అయాన్లు మరియు క్రియాశీల సమూహాల మిశ్రమాన్ని ఏర్పరుస్తాయి;

రెండవది, అన్ని రకాల క్రియాశీల సమూహాలు వ్యాప్తి చెందుతాయి మరియు ఫిల్మ్ యొక్క ఉపరితలం మరియు గోడకు రవాణా చేయబడతాయి మరియు ప్రతిచర్యల మధ్య ద్వితీయ ప్రతిచర్యలు ఒకే సమయంలో జరుగుతాయి;

చివరగా, వృద్ధి ఉపరితలానికి చేరుకునే అన్ని రకాల ప్రాథమిక మరియు ద్వితీయ ప్రతిచర్య ఉత్పత్తులు శోషించబడి ఉపరితలంతో చర్య జరుపుతాయి, దీనితో పాటు వాయు అణువులు తిరిగి విడుదల అవుతాయి.

ముఖ్యంగా, గ్లో డిశ్చార్జ్ పద్ధతిపై ఆధారపడిన PECVD సాంకేతికత బాహ్య విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క ఉత్తేజితం కింద రియాక్షన్ వాయువును అయనీకరణం చేసి ప్లాస్మాను ఏర్పరుస్తుంది. గ్లో డిశ్చార్జ్ ప్లాస్మాలో, బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా వేగవంతం చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్ల గతి శక్తి సాధారణంగా 10ev లేదా అంతకంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది రియాక్టివ్ వాయు అణువుల రసాయన బంధాలను నాశనం చేయడానికి సరిపోతుంది. అందువల్ల, అధిక-శక్తి ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రియాక్టివ్ వాయు అణువుల అస్థిర తాకిడి ద్వారా, వాయు అణువులు అయనీకరణం చెందుతాయి లేదా తటస్థ అణువులు మరియు పరమాణు ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేయడానికి కుళ్ళిపోతాయి. అయాన్ పొరను వేగవంతం చేసే విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా సానుకూల అయాన్లు వేగవంతం అవుతాయి మరియు ఎగువ ఎలక్ట్రోడ్‌తో ఢీకొంటాయి. దిగువ ఎలక్ట్రోడ్ దగ్గర ఒక చిన్న అయాన్ పొర విద్యుత్ క్షేత్రం కూడా ఉంది, కాబట్టి ఉపరితలం కొంతవరకు అయాన్ల ద్వారా బాంబు దాడి చేయబడుతుంది. ఫలితంగా, కుళ్ళిపోవడం ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన తటస్థ పదార్ధం ట్యూబ్ గోడ మరియు ఉపరితలానికి వ్యాపిస్తుంది. డ్రిఫ్ట్ మరియు వ్యాప్తి ప్రక్రియలో, ఈ కణాలు మరియు సమూహాలు (రసాయనికంగా చురుకైన తటస్థ అణువులు మరియు అణువులను సమూహాలు అంటారు) తక్కువ సగటు ఉచిత మార్గం కారణంగా అయాన్ అణువు ప్రతిచర్య మరియు సమూహ అణువు ప్రతిచర్యకు లోనవుతాయి. రసాయనిక క్రియాశీల పదార్ధాల (ప్రధానంగా సమూహాలు) రసాయన లక్షణాలు ఉపరితలాన్ని చేరుకుని శోషించబడతాయి, ఇవి చాలా చురుకుగా ఉంటాయి మరియు వాటి మధ్య పరస్పర చర్య ద్వారా ఫిల్మ్ ఏర్పడుతుంది.

2. ప్లాస్మాలో రసాయన ప్రతిచర్యలు

గ్లో డిశ్చార్జ్ ప్రక్రియలో ప్రతిచర్య వాయువు యొక్క ఉత్తేజితం ప్రధానంగా ఎలక్ట్రాన్ తాకిడి కారణంగా, ప్లాస్మాలోని ప్రాథమిక ప్రతిచర్యలు భిన్నంగా ఉంటాయి మరియు ప్లాస్మా మరియు ఘన ఉపరితలం మధ్య పరస్పర చర్య కూడా చాలా క్లిష్టంగా ఉంటుంది, ఇది PECVD ప్రక్రియ యొక్క యంత్రాంగాన్ని అధ్యయనం చేయడం కష్టతరం చేస్తుంది. ఇప్పటివరకు, ఆదర్శ లక్షణాలతో ఫిల్మ్‌లను పొందేందుకు ప్రయోగాల ద్వారా అనేక ముఖ్యమైన ప్రతిచర్య వ్యవస్థలు ఆప్టిమైజ్ చేయబడ్డాయి. PECVD సాంకేతికత ఆధారంగా సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌ల నిక్షేపణ కోసం, నిక్షేపణ యంత్రాంగాన్ని లోతుగా వెల్లడించగలిగితే, పదార్థాల యొక్క అద్భుతమైన భౌతిక లక్షణాలను నిర్ధారించే ప్రాతిపదికన సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌ల నిక్షేపణ రేటును బాగా పెంచవచ్చు.

ప్రస్తుతం, సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌ల పరిశోధనలో, హైడ్రోజన్ డైల్యూటెడ్ సిలేన్ (SiH4) ను ప్రతిచర్య వాయువుగా విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తున్నారు ఎందుకంటే సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌లలో కొంత మొత్తంలో హైడ్రోజన్ ఉంటుంది. సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌లలో H చాలా ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుంది. ఇది పదార్థ నిర్మాణంలో డాంగ్లింగ్ బంధాలను పూరించగలదు, లోప శక్తి స్థాయిని బాగా తగ్గిస్తుంది మరియు పదార్థాల యొక్క వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ నియంత్రణను సులభంగా గ్రహించగలదు. స్పియర్ మరియు ఇతరులు మొదట సిలికాన్ సన్నని ఫిల్మ్‌ల డోపింగ్ ప్రభావాన్ని గ్రహించి, మొదటి PN జంక్షన్‌ను సిద్ధం చేసినప్పటి నుండి, PECVD టెక్నాలజీ ఆధారంగా సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌ల తయారీ మరియు అప్లికేషన్‌పై పరిశోధన చాలా వేగంగా అభివృద్ధి చేయబడింది. అందువల్ల, PECVD టెక్నాలజీ ద్వారా జమ చేయబడిన సిలికాన్-ఆధారిత సన్నని ఫిల్మ్‌లలోని రసాయన ప్రతిచర్యను క్రింది వాటిలో వివరించవచ్చు మరియు చర్చించవచ్చు.

గ్లో డిశ్చార్జ్ స్థితిలో, సిలేన్ ప్లాస్మాలోని ఎలక్ట్రాన్లు అనేక EV శక్తి కంటే ఎక్కువ కలిగి ఉన్నందున, H2 మరియు SiH4 ప్రాథమిక ప్రతిచర్యకు చెందిన ఎలక్ట్రాన్లతో ఢీకొన్నప్పుడు కుళ్ళిపోతాయి. ఇంటర్మీడియట్ ఉత్తేజిత స్థితులను మనం పరిగణించకపోతే, H తో sihm (M = 0,1,2,3) యొక్క క్రింది విచ్ఛేదన ప్రతిచర్యలను మనం పొందవచ్చు.

ఇ+సిహెచ్4→సిహెచ్2+హెచ్2+ఇ (2.1)

ఇ+సిహెచ్4→సిహెచ్3+ హెచ్+ఇ (2.2)

ఇ+సిహెచ్4→సి+2హెచ్2+ఇ (2.3)

ఇ+సిహెచ్4→సిహెచ్+హెచ్2+హెచ్+ఇ (2.4)

ఇ+హెచ్2→2హెచ్+ఇ (2.5)

గ్రౌండ్ స్టేట్ అణువుల ఉత్పత్తి యొక్క ప్రామాణిక వేడి ప్రకారం, పైన పేర్కొన్న విచ్ఛేదన 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 కూడా ఈ క్రింది అయనీకరణ ప్రతిచర్యలకు లోనవుతాయి.

ఇ+సిహెచ్4→సిహెచ్2++హెచ్2+2ఇ (2.6)

ఇ+సిహెచ్4→సిహెచ్3++ హెచ్+2ఇ (2.7)

ఇ+సిహెచ్4→సి++2హెచ్2+2ఇ (2.8)

ఇ+సిహెచ్4→సిహెచ్+హెచ్2+హెచ్+2ఇ (2.9)

(2.6) ~ (2.9) కి అవసరమైన శక్తి వరుసగా 11.9, 12.3, 13.6 మరియు 15.3 EV. ప్రతిచర్య శక్తి వ్యత్యాసం కారణంగా, (2.1) ~ (2.9) ప్రతిచర్యల సంభావ్యత చాలా అసమానంగా ఉంటుంది. అదనంగా, ప్రతిచర్య ప్రక్రియ (2.1) ~ (2.5) తో ఏర్పడిన సిహ్మ్ అయనీకరణం చెందడానికి క్రింది ద్వితీయ ప్రతిచర్యలకు లోనవుతుంది, ఉదాహరణకు

సిహెచ్+ఇ→సిహెచ్++2ఇ (2.10)

సిహెచ్2+ఇ→సిహెచ్2++2ఇ (2.11)

సిహెచ్3+ఇ→సిహెచ్3++2ఇ (2.12)

పైన పేర్కొన్న ప్రతిచర్యను ఒకే ఎలక్ట్రాన్ ప్రక్రియ ద్వారా నిర్వహిస్తే, అవసరమైన శక్తి దాదాపు 12 eV లేదా అంతకంటే ఎక్కువ. 1010cm-3 ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత కలిగిన బలహీనంగా అయనీకరణం చెందిన ప్లాస్మాలో 10ev కంటే ఎక్కువ అధిక-శక్తి ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య వాతావరణ పీడనం (10-100pa) కింద సిలికాన్-ఆధారిత ఫిల్మ్‌ల తయారీకి సాపేక్షంగా తక్కువగా ఉంటుంది అనే వాస్తవాన్ని దృష్టిలో ఉంచుకుని, సంచిత అయనీకరణ సంభావ్యత సాధారణంగా ఉత్తేజిత సంభావ్యత కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల, సిలేన్ ప్లాస్మాలో పైన పేర్కొన్న అయనీకరణం చెందిన సమ్మేళనాల నిష్పత్తి చాలా తక్కువగా ఉంటుంది మరియు సిహ్మ్ యొక్క తటస్థ సమూహం ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుంది. ద్రవ్యరాశి స్పెక్ట్రం విశ్లేషణ ఫలితాలు కూడా ఈ తీర్మానాన్ని రుజువు చేస్తాయి [8]. బోర్క్వార్డ్ మరియు ఇతరులు. సిహ్మ్ యొక్క సాంద్రత sih3, sih2, Si మరియు SIH క్రమంలో తగ్గిందని, కానీ SiH3 యొక్క సాంద్రత SIH కంటే గరిష్టంగా మూడు రెట్లు ఎక్కువగా ఉందని ఎత్తి చూపారు. రాబర్ట్‌సన్ మరియు ఇతరులు. సిహ్మ్ యొక్క తటస్థ ఉత్పత్తులలో, స్వచ్ఛమైన సిలేన్ ప్రధానంగా అధిక-శక్తి ఉత్సర్గ కోసం ఉపయోగించబడుతుందని, సిహ్3 ప్రధానంగా తక్కువ-శక్తి ఉత్సర్గ కోసం ఉపయోగించబడుతుందని నివేదించబడింది. అధిక నుండి తక్కువ వరకు గాఢత క్రమం SiH3, SiH, Si, SiH2. అందువల్ల, ప్లాస్మా ప్రక్రియ పారామితులు సిహ్మ్ తటస్థ ఉత్పత్తుల కూర్పును బలంగా ప్రభావితం చేస్తాయి.

పైన పేర్కొన్న విఘటన మరియు అయనీకరణ ప్రతిచర్యలతో పాటు, అయానిక్ అణువుల మధ్య ద్వితీయ ప్రతిచర్యలు కూడా చాలా ముఖ్యమైనవి.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

కాబట్టి, అయాన్ గాఢత పరంగా, sih3 + అనేది sih2 + కంటే ఎక్కువ. SiH4 ప్లాస్మాలో sih2 + అయాన్ల కంటే sih3 + అయాన్లు ఎందుకు ఎక్కువగా ఉన్నాయో ఇది వివరించగలదు.

అదనంగా, ప్లాస్మాలోని హైడ్రోజన్ అణువులు SiH4 లోని హైడ్రోజన్‌ను సంగ్రహించే పరమాణు అణువు తాకిడి ప్రతిచర్య ఉంటుంది.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

ఇది ఒక ఉష్ణ ఉష్ణ ప్రతిచర్య మరియు si2h6 ఏర్పడటానికి పూర్వగామి. వాస్తవానికి, ఈ సమూహాలు భూమి స్థితిలోనే కాకుండా, ప్లాస్మాలో ఉత్తేజిత స్థితికి కూడా ఉత్తేజితమవుతాయి. సిలేన్ ప్లాస్మా యొక్క ఉద్గార వర్ణపటం Si, SIH, h యొక్క ఆప్టికల్‌గా ఆమోదయోగ్యమైన పరివర్తన ఉత్తేజిత స్థితులు మరియు SiH2, SiH3 యొక్క కంపన ఉత్తేజిత స్థితులు ఉన్నాయని చూపిస్తుంది.