1. Равандҳои асосии ҷойгиркунии буғи химиявии плазма бо тақвияти беҳтаршуда
Буғгузории кимиёвии бо плазма пурқувватшуда (PECVD) як технологияи нав барои парвариши плёнкаҳои тунук тавассути реаксияи кимиёвии моддаҳои газӣ бо ёрии плазмаи разряди дурахшон мебошад. Азбаски технологияи PECVD бо роҳи разряди газ омода карда мешавад, хусусиятҳои реаксияи плазмаи ғайримувозинат самаранок истифода мешаванд ва тарзи таъминоти энергияи системаи реаксия ба куллӣ тағйир меёбад. Умуман, вақте ки технологияи PECVD барои тайёр кардани плёнкаҳои тунук истифода мешавад, афзоиши плёнкаҳои тунук асосан се раванди асосии зеринро дар бар мегирад:
Аввалан, дар плазмаи ғайримувозинатӣ, электронҳо дар марҳилаи ибтидоӣ бо гази реаксия реаксия карда, гази реаксияро таҷзия мекунанд ва омехтаи ионҳо ва гурӯҳҳои фаъолро ташкил медиҳанд;
Дуюм, ҳама намуди гурӯҳҳои фаъол пароканда ва ба сатҳ ва девори плёнка интиқол дода мешаванд ва реаксияҳои дуюмдараҷа байни реактивҳо дар як вақт ба амал меоянд;
Ниҳоят, ҳама намудҳои маҳсулоти реаксияи аввалия ва дуюмдараҷа, ки ба сатҳи афзоиш мерасанд, адсорбсия карда мешаванд ва бо сатҳ реаксия мекунанд, ки бо раҳошавии дубораи молекулаҳои газӣ ҳамроҳ мешавад.
Хусусан, технологияи PECVD, ки ба усули разряди дурахшон асос ёфтааст, метавонад гази реаксияро бо ионизатсияи плазма дар зери ангезиши майдони электромагнитии беруна ба вуҷуд орад. Дар плазмаи разряди дурахшон, энергияи кинетикии электронҳое, ки аз ҷониби майдони электрикии беруна суръат мегиранд, одатан тақрибан 10 эВ ё ҳатто баландтар аст, ки барои вайрон кардани пайвандҳои кимиёвии молекулаҳои гази реактивӣ кофӣ аст. Аз ин рӯ, тавассути бархӯрди ғайричандирии электронҳои энергияи баланд ва молекулаҳои гази реактивӣ, молекулаҳои газ ионизатсия ё таҷзия мешаванд, то атомҳои бетараф ва маҳсулоти молекулавӣ ба вуҷуд оянд. Ионҳои мусбат аз ҷониби майдони электрикии суръатбахши қабати ион суръат мегиранд ва бо электроди болоӣ бархӯрд мекунанд. Дар наздикии электроди поёнӣ майдони электрикии қабати ионии хурд низ мавҷуд аст, аз ин рӯ субстрат низ то андозае аз ҷониби ионҳо бомбаборон карда мешавад. Дар натиҷа, моддаи бетараф, ки аз таҷзия ба вуҷуд меояд, ба девори найча ва субстрат паҳн мешавад. Дар раванди дрейф ва диффузия, ин зарраҳо ва гурӯҳҳо (атомҳо ва молекулаҳои бетарафи фаъоли кимиёвӣ гурӯҳҳо номида мешаванд) аз сабаби роҳи миёнаи кӯтоҳи озод аз реаксияи молекулаи ион ва реаксияи молекулаи гурӯҳӣ мегузаранд. Хусусиятҳои химиявии моддаҳои фаъоли кимиёвӣ (асосан гурӯҳҳо), ки ба субстрат мерасанд ва адсорбсия мешаванд, хеле фаъол мебошанд ва плёнка аз таъсири мутақобилаи байни онҳо ба вуҷуд меояд.
2. Реаксияҳои кимиёвӣ дар плазма
Азбаски ангезиши гази реаксия дар раванди ихроҷи дурахшон асосан аз бархӯрди электронҳо иборат аст, реаксияҳои элементарӣ дар плазма гуногунанд ва таъсири мутақобилаи плазма ва сатҳи сахт низ хеле мураккаб аст, ки омӯзиши механизми раванди PECVD-ро душвортар мекунад. То ҳол, бисёр системаҳои муҳими реаксия тавассути таҷрибаҳо барои ба даст овардани плёнкаҳо бо хосиятҳои беҳтарин оптимизатсия карда шудаанд. Барои ҷойгиркунии плёнкаҳои тунуки кремний дар асоси технологияи PECVD, агар механизми ҷойгиркуниро амиқ ошкор кардан мумкин бошад, суръати ҷойгиркунии плёнкаҳои тунуки кремнийро бо шарти таъмини хосиятҳои аълои физикии маводҳо хеле зиёд кардан мумкин аст.
Дар айни замон, дар таҳқиқоти плёнкаҳои тунуки кремний, силани гидрогении обшуда (SiH4) ҳамчун гази реаксия ба таври васеъ истифода мешавад, зеро дар плёнкаҳои тунуки кремний миқдори муайяни гидроген мавҷуд аст. H дар плёнкаҳои тунуки кремний нақши хеле муҳим мебозад. Он метавонад пайвандҳои овезонро дар сохтори мавод пур кунад, сатҳи энергияи нуқсонро ба таври назаррас коҳиш диҳад ва назорати электронҳои валентии маводро ба осонӣ амалӣ кунад. Азбаски Спир ва ҳамкоронаш бори аввал таъсири допингии плёнкаҳои тунуки кремнийро дарк карданд ва аввалин пайванди PN-ро дар соли 2001 омода карданд, таҳқиқот оид ба тайёр кардан ва татбиқи плёнкаҳои тунуки кремний дар асоси технологияи PECVD бо суръати баланд инкишоф ёфтааст. Аз ин рӯ, реаксияи кимиёвӣ дар плёнкаҳои тунуки кремний, ки бо технологияи PECVD гузошта шудаанд, дар зер тавсиф ва баррасӣ карда мешавад.
Дар шароити разряди дурахшон, азбаски электронҳо дар плазмаи силан зиёда аз якчанд энергияи EV доранд, H2 ва SiH4 ҳангоми бархӯрд бо электронҳо таҷзия мешаванд, ки ба реаксияи аввалия тааллуқ дорад. Агар мо ҳолатҳои миёнаи ангезишёфтаро ба назар нагирем, мо метавонем реаксияҳои зерини диссотсиатсияи sihm (M = 0,1,2,3)-ро бо H ба даст орем.
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)
Мувофиқи гармии стандартии истеҳсоли молекулаҳои ҳолати асосӣ, энергияҳои зарурӣ барои равандҳои диссотсиатсияи дар боло зикршуда (2.1) ~ (2.5) мутаносибан 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ва 4.5 EV мебошанд. Электронҳои дорои энергияи баланд дар плазма низ метавонанд реаксияҳои зерини ионизатсияро аз сар гузаронанд:
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)
Энергияи зарурӣ барои (2.6) ~ (2.9) мутаносибан 11.9, 12.3, 13.6 ва 15.3 EV аст. Аз сабаби фарқияти энергияи реаксия, эҳтимолияти реаксияҳои (2.1) ~ (2.9) хеле нобаробар аст. Илова бар ин, сихм, ки бо раванди реаксияи (2.1) ~ (2.5) ташкил шудааст, ба монанди реаксияҳои дуюмдараҷаи зерин барои ионизатсия дучор мешавад.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Агар реаксияи дар боло зикршуда бо роҳи як раванди электрон анҷом дода шавад, энергияи зарурӣ тақрибан 12 эВ ё бештар аз он аст. Бо назардошти он, ки шумораи электронҳои дорои энергияи баланд аз 10 эВ дар плазмаи заиф ионизатсияшуда бо зичии электронии 1010 см-3 дар зери фишори атмосфера (10-100 па) барои тайёр кардани плёнкаҳои кремний нисбатан кам аст, эҳтимолияти ионизатсияи ҷамъшуда одатан нисбат ба эҳтимолияти ангезиш хурдтар аст. Аз ин рӯ, таносуби пайвастагиҳои ионизатсияшудаи дар боло зикршуда дар плазмаи силан хеле хурд аст ва гурӯҳи бетарафи sihm бартарӣ дорад. Натиҷаҳои таҳлили спектри масса низ ин хулосаро исбот мекунанд [8]. Буркуард ва ҳамкорон. Ғайр аз ин қайд карданд, ки консентратсияи sihm бо тартиби sih3, sih2, Si ва SIH коҳиш ёфтааст, аммо консентратсияи SiH3 ҳадди аксар се маротиба аз SIH буд. Робертсон ва ҳамкорон. Гузориш дода шудааст, ки дар маҳсулоти бетарафи sihm, силани холис асосан барои разряди баландқувват истифода мешуд, дар ҳоле ки sih3 асосан барои разряди пастқувват истифода мешуд. Тартиби консентратсия аз баланд то паст SiH3, SiH, Si, SiH2 буд. Аз ин рӯ, параметрҳои раванди плазма ба таркиби маҳсулоти бетарафи sihm таъсири сахт мерасонанд.
Илова бар реаксияҳои диссотсиатсия ва ионизатсияи дар боло зикршуда, реаксияҳои дуюмдараҷа байни молекулаҳои ионӣ низ хеле муҳиманд.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Аз ин рӯ, аз нигоҳи консентратсияи ионҳо, sih3+ нисбат ба sih2+ зиёдтар аст. Ин метавонад шарҳ диҳад, ки чаро дар плазмаи SiH4 ионҳои sih3+ нисбат ба ионҳои sih2+ бештаранд.
Илова бар ин, реаксияи бархӯрди молекулавии атомҳо ба амал меояд, ки дар он атомҳои гидроген дар плазма гидрогенро дар SiH4 ба даст меоранд.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Ин як реаксияи экзотермикӣ ва пешгузаштаи ташаккули si2h6 мебошад. Албатта, ин гурӯҳҳо на танҳо дар ҳолати асосӣ, балки дар плазма низ аз ҳолати ангезиш ба ҳолати ангезиш ба вуҷуд меоянд. Спектрҳои партоби плазмаи силан нишон медиҳанд, ки ҳолатҳои ангезишёфтаи гузариши оптикии Si, SIH, h ва ҳолатҳои ангезишёфтаи ларзишии SiH2, SiH3 мавҷуданд.
Вақти нашр: 07-апрели соли 2021