1. Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme işleminin ana süreçleri
Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD), gaz halindeki maddelerin parıldayan deşarj plazması yardımıyla kimyasal reaksiyonu yoluyla ince filmlerin büyütülmesi için yeni bir teknolojidir. PECVD teknolojisi gaz deşarjı ile hazırlandığı için, dengesiz plazmanın reaksiyon özellikleri etkin bir şekilde kullanılır ve reaksiyon sisteminin enerji besleme modu temelden değişir. Genel olarak, PECVD teknolojisi ince filmlerin hazırlanmasında kullanıldığında, ince filmlerin büyümesi esas olarak aşağıdaki üç temel süreci içerir.
Öncelikle, dengesiz plazmada, elektronlar birincil aşamada reaksiyon gazıyla reaksiyona girerek reaksiyon gazını ayrıştırır ve iyonlar ile aktif grupların bir karışımını oluşturur;
İkinci olarak, her türlü aktif grup filmin yüzeyine ve duvarına yayılır ve taşınır ve aynı anda reaktanlar arasında ikincil reaksiyonlar meydana gelir;
Son olarak, büyüme yüzeyine ulaşan her türlü birincil ve ikincil reaksiyon ürünü adsorbe edilir ve yüzeyle reaksiyona girer; bu sırada gaz halindeki moleküller yeniden açığa çıkar.
Özellikle, parıltılı deşarj yöntemine dayalı PECVD teknolojisi, dış elektromanyetik alanın uyarımı altında reaksiyon gazını iyonlaştırarak plazma oluşturabilir. Parıltılı deşarj plazmasında, dış elektrik alanı tarafından hızlandırılan elektronların kinetik enerjisi genellikle yaklaşık 10 eV veya daha yüksektir; bu da reaktif gaz moleküllerinin kimyasal bağlarını yok etmek için yeterlidir. Bu nedenle, yüksek enerjili elektronların ve reaktif gaz moleküllerinin esnek olmayan çarpışması yoluyla, gaz molekülleri iyonlaşacak veya nötr atomlar ve moleküler ürünler üretmek üzere ayrışacaktır. Pozitif iyonlar, iyon tabakası hızlandırıcı elektrik alanı tarafından hızlandırılır ve üst elektrotla çarpışır. Alt elektrotun yakınında da küçük bir iyon tabakası elektrik alanı vardır, bu nedenle alt tabaka da bir miktar iyon bombardımanına maruz kalır. Sonuç olarak, ayrışma sonucu oluşan nötr madde tüp duvarına ve alt tabakaya yayılır. Sürüklenme ve yayılma sürecinde, bu parçacıklar ve gruplar (kimyasal olarak aktif nötr atomlar ve moleküller gruplar olarak adlandırılır), kısa ortalama serbest yol nedeniyle iyon-molekül reaksiyonuna ve grup-molekül reaksiyonuna uğrayacaktır. Yüzeye ulaşan ve adsorbe olan kimyasal olarak aktif maddelerin (esas olarak grupların) kimyasal özellikleri oldukça aktiftir ve film, bunlar arasındaki etkileşim sonucu oluşur.
2. Plazmadaki kimyasal reaksiyonlar
Parıltılı deşarj işleminde reaksiyon gazının uyarılması esas olarak elektron çarpışması olduğundan, plazmadaki temel reaksiyonlar çeşitlidir ve plazma ile katı yüzey arasındaki etkileşim de çok karmaşıktır; bu da PECVD işleminin mekanizmasını incelemeyi daha da zorlaştırır. Şimdiye kadar, ideal özelliklere sahip filmler elde etmek için birçok önemli reaksiyon sistemi deneylerle optimize edilmiştir. PECVD teknolojisine dayalı silikon bazlı ince filmlerin biriktirilmesi için, biriktirme mekanizması derinlemesine ortaya çıkarılırsa, malzemelerin mükemmel fiziksel özelliklerinin sağlanması koşuluyla silikon bazlı ince filmlerin biriktirme hızı büyük ölçüde artırılabilir.
Günümüzde silikon bazlı ince filmlerin araştırmasında, silikon bazlı ince filmlerde belirli miktarda hidrojen bulunması nedeniyle, hidrojenle seyreltilmiş silan (SiH4) reaksiyon gazı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. H, silikon bazlı ince filmlerde çok önemli bir rol oynamaktadır. Malzeme yapısındaki serbest bağları doldurabilir, kusur enerji seviyesini büyük ölçüde azaltabilir ve malzemelerin değerlik elektron kontrolünü kolayca gerçekleştirebilir. Spear ve arkadaşları silikon ince filmlerin doping etkisini ilk kez gerçekleştirdikten ve ilk PN eklemini hazırladıktan sonra, PECVD teknolojisine dayalı silikon bazlı ince filmlerin hazırlanması ve uygulaması üzerine yapılan araştırmalar büyük ilerleme kaydetmiştir. Bu nedenle, PECVD teknolojisi ile biriktirilen silikon bazlı ince filmlerdeki kimyasal reaksiyon aşağıda açıklanacak ve tartışılacaktır.
Parıltılı deşarj koşulu altında, silan plazmasındaki elektronların birkaç EV'den fazla enerjiye sahip olması nedeniyle, H2 ve SiH4 elektronlarla çarpıştıklarında birincil reaksiyona giren ayrışma reaksiyonlarına girerler. Ara uyarılmış durumları dikkate almazsak, sihm'nin (M = 0,1,2,3) H ile aşağıdaki ayrışma reaksiyonlarını elde edebiliriz.
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)
Temel haldeki moleküllerin standart üretim ısısına göre, yukarıdaki ayrışma süreçleri (2.1) ~ (2.5) için gerekli enerjiler sırasıyla 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV ve 4.5 EV'dir. Plazmadaki yüksek enerjili elektronlar ayrıca aşağıdaki iyonlaşma reaksiyonlarına da girebilir.
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) için gereken enerji sırasıyla 11.9, 12.3, 13.6 ve 15.3 eV'dir. Reaksiyon enerjilerindeki farklılık nedeniyle, (2.1) ~ (2.9) reaksiyonlarının olasılığı çok dengesizdir. Ayrıca, (2.1) ~ (2.5) reaksiyon süreciyle oluşan sihm, iyonlaşmak için aşağıdaki ikincil reaksiyonlara girecektir, örneğin
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Yukarıdaki reaksiyon tek elektronlu bir işlemle gerçekleştirilirse, gereken enerji yaklaşık 12 eV veya daha fazladır. Silikon bazlı filmlerin hazırlanması için atmosferik basınç (10-100 pa) altında, elektron yoğunluğu 1010 cm-3 olan zayıf iyonize plazmada 10 eV'nin üzerindeki yüksek enerjili elektron sayısının nispeten az olduğu göz önüne alındığında, kümülatif iyonlaşma olasılığı genellikle uyarılma olasılığından daha küçüktür. Bu nedenle, silan plazmasındaki yukarıdaki iyonize bileşiklerin oranı çok küçüktür ve nötr grup sihm baskındır. Kütle spektrum analizi sonuçları da bu sonucu doğrulamaktadır [8]. Bourquard ve ark. ayrıca sihm konsantrasyonunun sih3, sih2, Si ve SIH sırasına göre azaldığını, ancak SiH3 konsantrasyonunun en fazla SIH'nin üç katı olduğunu belirtmiştir. Robertson ve ark. SIHM'nin nötr ürünlerinde, yüksek güçlü deşarj için esas olarak saf silan, düşük güçlü deşarj için ise SiH3'ün kullanıldığı bildirilmiştir. Konsantrasyon sırası yüksekten düşüğe doğru SiH3, SiH, Si, SiH2 şeklindedir. Bu nedenle, plazma işlem parametreleri SIHM nötr ürünlerinin bileşimini büyük ölçüde etkiler.
Yukarıda bahsedilen ayrışma ve iyonlaşma reaksiyonlarına ek olarak, iyonik moleküller arasındaki ikincil reaksiyonlar da çok önemlidir.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Dolayısıyla, iyon konsantrasyonu açısından sih3+ iyonu sih2+ iyonundan daha fazladır. Bu durum, SiH4 plazmasında sih2+ iyonlarından daha fazla sih3+ iyonu bulunmasının nedenini açıklayabilir.
Ek olarak, plazmadaki hidrojen atomlarının SiH4'teki hidrojeni yakalayacağı bir moleküler atom çarpışma reaksiyonu da gerçekleşecektir.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Bu, ekzotermik bir reaksiyondur ve Si2H6 oluşumunun öncüsüdür. Elbette, bu gruplar sadece temel halde değil, plazmada uyarılmış hale de geçerler. Silan plazmasının emisyon spektrumları, Si, SiH, h'nin optik olarak kabul edilebilir geçiş uyarılmış hallerinin ve SiH2, SiH3'ün titreşimsel uyarılmış hallerinin bulunduğunu göstermektedir.
Yayın tarihi: 07.08.2021