1. กระบวนการหลักของการสะสมไอเคมีที่เสริมด้วยพลาสมา
การสะสมไอเคมีที่ปรับปรุงด้วยพลาสมา (PECVD) เป็นเทคโนโลยีใหม่สำหรับการสร้างฟิล์มบางโดยปฏิกิริยาเคมีของสารก๊าซด้วยความช่วยเหลือของพลาสม่าที่ปล่อยแสง เนื่องจากเทคโนโลยี PECVD จัดทำขึ้นโดยใช้การปล่อยก๊าซ จึงใช้ลักษณะปฏิกิริยาของพลาสม่าที่ไม่สมดุลได้อย่างมีประสิทธิภาพ และโหมดการจ่ายพลังงานของระบบปฏิกิริยาก็เปลี่ยนไปโดยพื้นฐาน โดยทั่วไป เมื่อใช้เทคโนโลยี PECVD ในการเตรียมฟิล์มบาง การสร้างฟิล์มบางจะประกอบด้วยกระบวนการพื้นฐานสามประการต่อไปนี้เป็นหลัก
ประการแรก ในพลาสมาที่ไม่สมดุล อิเล็กตรอนจะทำปฏิกิริยากับก๊าซปฏิกิริยาในขั้นตอนปฐมภูมิเพื่อสลายก๊าซปฏิกิริยาและสร้างส่วนผสมของไอออนและกลุ่มที่ใช้งานอยู่
ประการที่สอง กลุ่มที่ใช้งานทุกชนิดจะแพร่กระจายและเคลื่อนย้ายไปยังพื้นผิวและผนังของฟิล์ม และปฏิกิริยารองระหว่างสารตั้งต้นจะเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน
ในที่สุด ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาหลักและรองทุกชนิดที่ไปถึงพื้นผิวการเจริญเติบโตจะถูกดูดซับและทำปฏิกิริยากับพื้นผิว โดยมาพร้อมกับการปล่อยโมเลกุลก๊าซอีกครั้ง
โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยี PECVD ที่ใช้หลักการปลดปล่อยแสงสามารถทำให้ก๊าซปฏิกิริยาแตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างพลาสมาภายใต้การกระตุ้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ในพลาสมาที่มีการปลดปล่อยแสง พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่เร่งโดยสนามไฟฟ้าภายนอกมักจะอยู่ที่ประมาณ 10ev หรือสูงกว่านั้น ซึ่งเพียงพอที่จะทำลายพันธะเคมีของโมเลกุลก๊าซที่มีปฏิกิริยา ดังนั้น ผ่านการชนกันแบบไม่ยืดหยุ่นของอิเล็กตรอนพลังงานสูงและโมเลกุลก๊าซที่มีปฏิกิริยา โมเลกุลของก๊าซจะถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนหรือสลายตัวเพื่อผลิตอะตอมที่เป็นกลางและผลิตภัณฑ์โมเลกุล ไอออนบวกจะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าที่เร่งชั้นไอออนและชนกับอิเล็กโทรดด้านบน นอกจากนี้ยังมีสนามไฟฟ้าชั้นไอออนขนาดเล็กใกล้กับอิเล็กโทรดด้านล่าง ดังนั้น พื้นผิวจึงถูกโจมตีด้วยไอออนในระดับหนึ่งด้วย เป็นผลให้สารที่เป็นกลางที่เกิดจากการสลายตัวแพร่กระจายไปยังผนังท่อและพื้นผิว ในกระบวนการดริฟท์และการแพร่กระจาย อนุภาคและกลุ่มเหล่านี้ (อะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลางที่มีฤทธิ์ทางเคมีเรียกว่ากลุ่ม) จะเกิดปฏิกิริยากับโมเลกุลไอออนและปฏิกิริยากับโมเลกุลกลุ่มเนื่องจากมีเส้นทางอิสระเฉลี่ยสั้น คุณสมบัติทางเคมีของสารออกฤทธิ์ทางเคมี (โดยหลักแล้วคือกลุ่ม) ที่ไปถึงพื้นผิวและถูกดูดซับนั้นมีฤทธิ์มาก และฟิล์มจะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างสารเหล่านี้
2. ปฏิกิริยาเคมีในพลาสมา
เนื่องจากการกระตุ้นของก๊าซปฏิกิริยาในกระบวนการปล่อยประจุไฟฟ้าคือการชนกันของอิเล็กตรอนเป็นหลัก ปฏิกิริยาพื้นฐานในพลาสมาจึงมีความหลากหลาย และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลาสมาและพื้นผิวแข็งก็ซับซ้อนมากเช่นกัน ซึ่งทำให้การศึกษาเกี่ยวกับกลไกของกระบวนการ PECVD ยากขึ้น จนถึงขณะนี้ ระบบปฏิกิริยาที่สำคัญหลายระบบได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยการทดลองเพื่อให้ได้ฟิล์มที่มีคุณสมบัติเหมาะสม สำหรับการสะสมฟิล์มบางที่ใช้ซิลิกอนที่ใช้เทคโนโลยี PECVD หากสามารถเปิดเผยกลไกการสะสมได้อย่างลึกซึ้ง อัตราการสะสมฟิล์มบางที่ใช้ซิลิกอนจะเพิ่มขึ้นอย่างมากโดยอาศัยหลักการที่ว่าต้องรับประกันคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยมของวัสดุ
ปัจจุบัน ในการวิจัยฟิล์มบางที่ทำจากซิลิกอน ไฮโดรเจนเจือจางไซเลน (SiH4) ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นก๊าซปฏิกิริยา เนื่องจากมีไฮโดรเจนจำนวนหนึ่งในฟิล์มบางที่ทำจากซิลิกอน ไฮโดรเจนมีบทบาทสำคัญมากในฟิล์มบางที่ทำจากซิลิกอน ไฮโดรเจนสามารถเติมพันธะที่ห้อยลงมาในโครงสร้างของวัสดุ ลดระดับพลังงานของข้อบกพร่องได้อย่างมาก และควบคุมวัสดุด้วยอิเล็กตรอนวาเลนซ์ได้อย่างง่ายดาย นับตั้งแต่ Spear et al. ตระหนักถึงผลของการเจือปนของฟิล์มบางที่ทำจากซิลิกอนเป็นครั้งแรก และเตรียมรอยต่อ PN ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2539 การวิจัยเกี่ยวกับการเตรียมและการใช้ฟิล์มบางที่ทำจากซิลิกอนที่ใช้เทคโนโลยี PECVD ได้รับการพัฒนาอย่างก้าวกระโดด ดังนั้น ปฏิกิริยาเคมีในฟิล์มบางที่ทำจากซิลิกอนที่สะสมโดยเทคโนโลยี PECVD จะได้รับการอธิบายและอภิปรายต่อไปนี้
ภายใต้สภาวะการปลดปล่อยแสง เนื่องจากอิเล็กตรอนในพลาสมาไซเลนมีพลังงาน EV มากกว่าหลายเท่า H2 และ SiH4 จึงสลายตัวเมื่อถูกอิเล็กตรอนชน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยาหลัก หากเราไม่พิจารณาสถานะกระตุ้นกลาง เราจะได้ปฏิกิริยาการแตกตัวของ sihm (M = 0,1,2,3) กับ H ดังต่อไปนี้
อี+SiH4→SiH2+H2+อี (2.1)
อี+SiH4→SiH3+ H+อี (2.2)
อี+SiH4→Si+2H2+อี (2.3)
อี+SiH4→SiH+H2+H+อี (2.4)
อี+เอช2→2เอช+อี (2.5)
ตามมาตรฐานความร้อนในการผลิตโมเลกุลสถานะพื้นฐาน พลังงานที่จำเป็นสำหรับกระบวนการแยกตัวข้างต้น (2.1) ~ (2.5) คือ 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV และ 4.5 EV ตามลำดับ อิเล็กตรอนพลังงานสูงในพลาสมาสามารถเกิดปฏิกิริยาไอออไนเซชันต่อไปนี้ได้เช่นกัน
อี+SiH4→SiH2++H2+2อี (2.6)
อี+SiH4→SiH3++ H+2อี (2.7)
อี+SiH4→Si++2H2+2e (2.8)
อี+SiH4→SiH++H2+H+2อี (2.9)
พลังงานที่ต้องการสำหรับ (2.6) ~ (2.9) คือ 11.9, 12.3, 13.6 และ 15.3 EV ตามลำดับ เนื่องจากความแตกต่างของพลังงานปฏิกิริยา ความน่าจะเป็นของปฏิกิริยา (2.1) ~ (2.9) จึงไม่เท่ากันมาก นอกจากนี้ ซิห์มที่เกิดขึ้นจากกระบวนการปฏิกิริยา (2.1) ~ (2.5) จะเกิดปฏิกิริยารองต่อไปนี้เพื่อทำให้แตกตัวเป็นไอออน เช่น
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
หากปฏิกิริยาข้างต้นเกิดขึ้นโดยใช้กระบวนการอิเล็กตรอนตัวเดียว พลังงานที่ต้องการจะอยู่ที่ประมาณ 12 eV หรือมากกว่านั้น เมื่อพิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่าจำนวนอิเล็กตรอนพลังงานสูงกว่า 10ev ในพลาสมาที่แตกตัวเป็นไอออนเล็กน้อยที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอน 1010cm-3 นั้นค่อนข้างน้อยภายใต้ความดันบรรยากาศ (10-100pa) สำหรับการเตรียมฟิล์มที่ใช้ซิลิกอน ความน่าจะเป็นของการแตกตัวเป็นไอออนสะสมโดยทั่วไปจะน้อยกว่าความน่าจะเป็นของการกระตุ้น ดังนั้น สัดส่วนของสารประกอบที่แตกตัวเป็นไอออนข้างต้นในพลาสมาไซเลนจึงน้อยมาก และกลุ่มที่เป็นกลางของ sihm ก็มีมาก ผลการวิเคราะห์สเปกตรัมมวลยังพิสูจน์ข้อสรุปนี้อีกด้วย [8] Bourquard et al. ชี้ให้เห็นเพิ่มเติมว่าความเข้มข้นของ sihm ลดลงตามลำดับของ sih3, sih2, Si และ SIH แต่ความเข้มข้นของ SiH3 สูงกว่า SIH ไม่เกินสามเท่า Robertson et al. รายงานว่าในผลิตภัณฑ์ที่เป็นกลางของ sihm ไซเลนบริสุทธิ์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการคายประจุกำลังสูง ในขณะที่ sih3 ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการคายประจุกำลังต่ำ ลำดับความเข้มข้นจากสูงไปต่ำคือ SiH3, SiH, Si, SiH2 ดังนั้นพารามิเตอร์กระบวนการพลาสม่าจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ที่เป็นกลางของ sihm
นอกจากปฏิกิริยาการแยกตัวและการแตกตัวที่กล่าวข้างต้นแล้ว ปฏิกิริยาที่สองระหว่างโมเลกุลไอออนิกยังมีความสำคัญมากอีกด้วย
SiH2+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
ดังนั้น เมื่อพิจารณาจากความเข้มข้นของไอออนแล้ว sih3+ จะมากกว่า sih2+ ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าทำไมจึงมีไอออน sih3+ มากกว่าไอออน sih2+ ในพลาสมา SiH4
นอกจากนี้ ยังจะมีปฏิกิริยาการชนกันของอะตอมโมเลกุล ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนในพลาสมาจะจับไฮโดรเจนใน SiH4
ไฮดรอกไซด์ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนและเป็นสารตั้งต้นสำหรับการก่อตัวของ si2h6 แน่นอนว่ากลุ่มเหล่านี้ไม่ได้อยู่แค่สถานะพื้นฐานเท่านั้น แต่ยังถูกกระตุ้นไปยังสถานะที่ถูกกระตุ้นในพลาสมาด้วย สเปกตรัมการแผ่รังสีของพลาสมาไซเลนแสดงให้เห็นว่ามีสถานะที่ถูกกระตุ้นแบบทรานซิชันที่ยอมรับได้ทางแสงของ Si, SIH, h และสถานะที่ถูกกระตุ้นแบบสั่นสะเทือนของ SiH2, SiH3
เวลาโพสต์ : 07-04-2021