Pangunahing teknolohiya ng plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)

1. Mga pangunahing proseso ng pinahusay na pagdedeposito ng singaw ng kemikal sa plasma

Ang plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) ay isang bagong teknolohiya para sa pagpapatubo ng mga manipis na pelikula sa pamamagitan ng kemikal na reaksyon ng mga gas na sangkap sa tulong ng glow discharge plasma. Dahil ang teknolohiyang PECVD ay inihahanda sa pamamagitan ng gas discharge, ang mga katangian ng reaksyon ng non-equilibrium plasma ay epektibong nagagamit, at ang paraan ng pagbibigay ng enerhiya ng sistema ng reaksyon ay lubos na nagbabago. Sa pangkalahatan, kapag ginagamit ang teknolohiyang PECVD upang maghanda ng mga manipis na pelikula, ang pagpapatubo ng mga manipis na pelikula ay pangunahing kinabibilangan ng sumusunod na tatlong pangunahing proseso.

Una, sa plasma na hindi balanse, ang mga electron ay tumutugon sa gas ng reaksyon sa pangunahing yugto upang mabulok ang gas ng reaksyon at bumuo ng isang halo ng mga ion at aktibong grupo;

Pangalawa, ang lahat ng uri ng aktibong grupo ay kumakalat at nadadala sa ibabaw at dingding ng pelikula, at ang mga pangalawang reaksyon sa pagitan ng mga reactant ay nangyayari nang sabay;

Panghuli, lahat ng uri ng pangunahin at pangalawang produkto ng reaksyon na umaabot sa ibabaw ng paglaki ay nasisipsip at tumutugon sa ibabaw, kasabay ng muling paglabas ng mga molekulang gas.

Partikular, ang teknolohiyang PECVD na nakabatay sa paraan ng glow discharge ay maaaring magdulot ng pag-ionize ng gas ng reaksyon upang bumuo ng plasma sa ilalim ng paggulo ng panlabas na electromagnetic field. Sa glow discharge plasma, ang kinetic energy ng mga electron na pinabilis ng panlabas na electric field ay karaniwang humigit-kumulang 10ev, o mas mataas pa, na sapat upang sirain ang mga kemikal na bono ng mga reactive gas molecule. Samakatuwid, sa pamamagitan ng inelastic collision ng mga high-energy electron at reactive gas molecule, ang mga gas molecule ay ma-ionize o mabubulok upang makagawa ng mga neutral na atomo at mga produktong molekular. Ang mga positibong ion ay pinabibilis ng ion layer na nagpapabilis ng electric field at bumabangga sa itaas na elektrod. Mayroon ding maliit na ion layer electric field malapit sa ibabang elektrod, kaya ang substrate ay binomba rin ng mga ion sa ilang antas. Bilang resulta, ang neutral na substansiya na nalilikha ng decomposition ay kumakalat sa tube wall at substrate. Sa proseso ng drift at diffusion, ang mga particle at group na ito (ang mga chemically active neutral atoms at molecule ay tinatawag na groups) ay sasailalim sa ion molecule reaction at group molecule reaction dahil sa maikling average free path. Ang mga kemikal na katangian ng mga aktibong sangkap (pangunahin na mga grupo) na umaabot sa substrate at nasisipsip ay napaka-aktibo, at ang pelikula ay nabubuo sa pamamagitan ng interaksyon sa pagitan ng mga ito.

2. Mga reaksiyong kemikal sa plasma

Dahil ang paggulo ng reaksyon ng gas sa proseso ng glow discharge ay pangunahing banggaan ng elektron, ang mga pangunahing reaksyon sa plasma ay iba-iba, at ang interaksyon sa pagitan ng plasma at ng solidong ibabaw ay napakakumplikado rin, na nagpapahirap sa pag-aaral ng mekanismo ng proseso ng PECVD. Sa ngayon, maraming mahahalagang sistema ng reaksyon ang na-optimize sa pamamagitan ng mga eksperimento upang makakuha ng mga pelikulang may mainam na katangian. Para sa pagdedeposito ng mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon batay sa teknolohiya ng PECVD, kung ang mekanismo ng deposisyon ay maaaring malalim na maipakita, ang rate ng deposisyon ng mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon ay maaaring lubos na mapataas sa premisa ng pagtiyak sa mahusay na pisikal na katangian ng mga materyales.

Sa kasalukuyan, sa pananaliksik ng mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon, ang hydrogen diluted silane (SiH4) ay malawakang ginagamit bilang reaction gas dahil mayroong isang tiyak na dami ng hydrogen sa mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon. Ang H ay gumaganap ng isang napakahalagang papel sa mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon. Maaari nitong punan ang mga nakalawit na bono sa istruktura ng materyal, lubos na mabawasan ang antas ng enerhiya ng depekto, at madaling makamit ang kontrol ng valence electron ng mga materyales. Simula nang unang natanto nina Spear et al. ang doping effect ng mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon at inihanda ang unang PN junction noong, ang pananaliksik sa paghahanda at aplikasyon ng mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon batay sa teknolohiya ng PECVD ay mabilis na binuo. Samakatuwid, ang kemikal na reaksyon sa mga manipis na pelikulang nakabatay sa silicon na idineposito ng teknolohiya ng PECVD ay ilalarawan at tatalakayin sa mga sumusunod.

Sa ilalim ng kondisyon ng glow discharge, dahil ang mga electron sa silane plasma ay may higit sa ilang EV energy, ang H2 at SiH4 ay mabubulok kapag sila ay binangga ng mga electron, na kabilang sa pangunahing reaksyon. Kung hindi natin isasaalang-alang ang mga intermediate excited states, makukuha natin ang mga sumusunod na dissociation reaction ng sihm (M = 0,1,2,3) kasama ang H

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)

Ayon sa karaniwang init ng produksyon ng mga ground state molecule, ang mga enerhiyang kinakailangan para sa mga proseso ng dissociation sa itaas (2.1) ~ (2.5) ay 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV at 4.5 EV ayon sa pagkakabanggit. Ang mga electron na may mataas na enerhiya sa plasma ay maaari ring sumailalim sa mga sumusunod na reaksyon ng ionization

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)

Ang enerhiyang kinakailangan para sa (2.6) ~ (2.9) ay 11.9, 12.3, 13.6 at 15.3 EV ayon sa pagkakabanggit. Dahil sa pagkakaiba ng enerhiya ng reaksyon, ang probabilidad ng mga reaksyon ng (2.1) ~ (2.9) ay hindi pantay. Bukod pa rito, ang siga na nabuo sa proseso ng reaksyon (2.1) ~ (2.5) ay sasailalim sa mga sumusunod na pangalawang reaksyon upang mag-ionize, tulad ng

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Kung ang reaksyon sa itaas ay isinasagawa sa pamamagitan ng isang proseso ng elektron lamang, ang enerhiyang kinakailangan ay humigit-kumulang 12 eV o higit pa. Dahil sa katotohanang ang bilang ng mga electron na may mataas na enerhiya na higit sa 10 ev sa mahinang ionized na plasma na may densidad ng elektron na 1010 cm-3 ay medyo maliit sa ilalim ng presyon ng atmospera (10-100 pa) para sa paghahanda ng mga pelikulang nakabatay sa silicon, ang cumulative ionization probability ay karaniwang mas maliit kaysa sa excitation probability. Samakatuwid, ang proporsyon ng mga ionized compound sa itaas sa silane plasma ay napakaliit, at ang neutral na grupo ng sihm ay nangingibabaw. Pinatutunayan din ng mga resulta ng mass spectrum analysis ang konklusyong ito [8]. Dagdag pa nina Bourquard et al. na ang konsentrasyon ng sihm ay bumaba sa pagkakasunud-sunod ng sih3, sih2, Si at SIH, ngunit ang konsentrasyon ng SiH3 ay hindi hihigit sa tatlong beses kaysa sa SIH. Iniulat nina Robertson et al. na sa mga neutral na produkto ng sihm, ang purong silane ay pangunahing ginagamit para sa high-power discharge, habang ang sih3 ay pangunahing ginagamit para sa low-power discharge. Ang pagkakasunud-sunod ng konsentrasyon mula mataas hanggang mababa ay SiH3, SiH, Si, SiH2. Samakatuwid, ang mga parametro ng proseso ng plasma ay malakas na nakakaapekto sa komposisyon ng mga produktong neutral na sihm.

Bukod sa mga nabanggit na reaksyon ng paghihiwalay at ionisasyon, ang mga pangalawang reaksyon sa pagitan ng mga ionic molecule ay napakahalaga rin.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Samakatuwid, sa usapin ng konsentrasyon ng ion, ang sih3+ ay mas marami kaysa sa sih2+. Maipapaliwanag nito kung bakit mas maraming ion ng sih3+ kaysa sa ion ng sih2+ sa plasma ng SiH4.

Bukod pa rito, magkakaroon ng reaksiyon ng banggaan ng molekular na atomo kung saan ang mga atomo ng hydrogen sa plasma ay kumukuha ng hydrogen sa SiH4.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Ito ay isang exothermic reaction at isang precursor para sa pagbuo ng si2h6. Siyempre, ang mga grupong ito ay hindi lamang nasa ground state, kundi na-excite din sa excited state sa plasma. Ipinapakita ng emission spectra ng silane plasma na mayroong optically admissible transition excited states ng Si, SIH, h, at vibrational excited states ng SiH2, SiH3.