1. Plazma destekli kimyasal buhar biriktirmenin ana süreçleri
Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD), gaz halindeki maddelerin parıltılı deşarj plazması yardımıyla kimyasal reaksiyonuyla ince filmlerin büyütülmesi için yeni bir teknolojidir. PECVD teknolojisi gaz deşarjı ile hazırlandığından, denge dışı plazmanın reaksiyon özellikleri etkili bir şekilde kullanılır ve reaksiyon sisteminin enerji tedarik modu temelden değişir. Genel olarak konuşursak, PECVD teknolojisi ince filmler hazırlamak için kullanıldığında, ince filmlerin büyütülmesi esas olarak aşağıdaki üç temel işlemi içerir
Birincisi, denge dışı plazmada, elektronlar birincil aşamada reaksiyon gazıyla reaksiyona girerek reaksiyon gazını ayrıştırır ve iyon ve aktif gruplardan oluşan bir karışım oluşturur;
İkincisi, her türlü aktif grup difüze olur ve filmin yüzeyine ve duvarına taşınır ve aynı anda reaktanlar arasındaki ikincil reaksiyonlar meydana gelir;
Son olarak, büyüme yüzeyine ulaşan her türlü birincil ve ikincil reaksiyon ürünleri adsorbe edilerek yüzeyle reaksiyona girer ve gaz halindeki moleküllerin geri salınması gerçekleşir.
Özellikle, parıltılı deşarj yöntemine dayanan PECVD teknolojisi, reaksiyon gazının dış elektromanyetik alanın uyarılması altında plazma oluşturmak üzere iyonize olmasını sağlayabilir. 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 elastik olmayan çarpışması yoluyla, gaz molekülleri nötr atomlar ve moleküler ürünler üretmek üzere iyonize olacak veya ayrışacaktır. Pozitif iyonlar, iyon tabakasının hızlandırdığı elektrik alanı tarafından hızlandırılır ve üst elektrotla çarpışır. Ayrıca, alt elektrotun yakınında küçük bir iyon tabakası elektrik alanı vardır, bu nedenle alt tabaka da bir dereceye kadar iyonlar tarafından bombalanır. Sonuç olarak, ayrışmayla üretilen nötr madde tüp duvarına ve alt tabakaya yayılır. Sürüklenme ve difüzyon sürecinde, bu parçacıklar ve gruplar (kimyasal olarak aktif nötr atomlar ve moleküller grup olarak adlandırılır) kısa ortalama serbest yol nedeniyle iyon molekül reaksiyonu ve grup molekül reaksiyonu geçirecektir. Substrata ulaşan ve adsorbe edilen kimyasal aktif maddelerin (çoğunlukla grupların) kimyasal özellikleri çok aktiftir ve film, aralarındaki etkileşimle oluşur.
2. Plazmadaki kimyasal reaksiyonlar
Çünkü kızdırma deşarj sürecinde 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 sürecinin mekanizmasını incelemeyi daha da zorlaştırır. Şimdiye kadar, birçok önemli reaksiyon sistemi ideal özelliklere sahip filmler elde etmek için deneylerle optimize edilmiştir. PECVD teknolojisine dayalı silikon bazlı ince filmlerin biriktirilmesi için, biriktirme mekanizması derinlemesine ortaya çıkarılabilirse, silikon bazlı ince filmlerin biriktirme oranı, malzemelerin mükemmel fiziksel özelliklerinin sağlanması öncülüyle büyük ölçüde artırılabilir.
Şu anda, silisyum esaslı ince film araştırmalarında, silisyum esaslı ince filmlerde belirli miktarda hidrojen bulunduğu için hidrojenle seyreltilmiş silan (SiH4) reaksiyon gazı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. H, silisyum esaslı ince filmlerde çok önemli bir rol oynar. Malzeme yapısındaki sarkan bağları doldurabilir, kusur enerji seviyesini büyük ölçüde azaltabilir ve malzemelerin değerlik elektron kontrolünü kolayca gerçekleştirebilir. Spear ve arkadaşları ilk olarak silisyum ince filmlerin doping etkisini fark ettiğinden ve ilk PN bağlantısını hazırladığından beri, PECVD teknolojisine dayalı silisyum esaslı ince filmlerin hazırlanması ve uygulanması üzerine araştırmalar hızla gelişmiştir. Bu nedenle, PECVD teknolojisi ile biriktirilen silisyum esaslı ince filmlerdeki kimyasal reaksiyon aşağıda açıklanacak ve tartışılacaktır.
Parıltı deşarjı koşulu altında, silan plazmasındaki elektronlar birkaç EV enerjisinden fazlasına sahip olduğundan, H2 ve SiH4 elektronlarla çarpıştıklarında ayrışacaktır, bu da birincil reaksiyona aittir. Ara uyarılmış durumları dikkate almazsak, H ile sihm (M = 0,1,2,3)'ün 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 durum moleküllerinin standart üretim ısısına göre, yukarıdaki ayrışma süreçleri (2.1) ~ (2.5) için gereken 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 uğrayabilir
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. Tepkime enerjisi farkından dolayı, (2.1) ~ (2.9) tepkimelerinin olasılığı çok düzensizdir. Ek olarak, (2.1) ~ (2.5) tepkime süreciyle oluşan sihm, iyonlaşmak için aşağıdaki ikincil tepkimelere girecektir, örneğin:
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Yukarıdaki reaksiyon tek elektron işlemi yoluyla gerçekleştirilirse, gereken enerji yaklaşık 12 eV veya daha fazladır. 1010 cm-3 elektron yoğunluğuna sahip zayıf iyonize plazmada 10ev'nin üzerindeki yüksek enerjili elektronların sayısının, silisyum esaslı filmlerin hazırlanması için atmosferik basınçta (10-100pa) nispeten küçük olduğu gerçeği göz önüne alındığında, kümülatif iyonizasyon olasılığı genellikle uyarılma olasılığından daha küçüktür. Bu nedenle, silan plazmasındaki yukarıdaki iyonize bileşiklerin oranı çok küçüktür ve sihm'in nötr grubu baskındır. Kütle spektrumu analizi sonuçları da bu sonucu kanıtlamaktadır [8]. Bourquard ve ark. Ayrıca sihm konsantrasyonunun sih3, sih2, Si ve SIH mertebesinde azaldığını, ancak SiH3 konsantrasyonunun SIH'in en fazla üç katı olduğunu belirtmişlerdir. Robertson ve ark. Sihm'in nötr ürünlerinde saf silanın esas olarak yüksek güç deşarjı için, sih3'ün ise esas olarak düşük güç deşarjı için kullanıldığı bildirilmiştir. Konsantrasyon sırası yüksekten düşüğe SiH3, SiH, Si, SiH2'dir. Bu nedenle, plazma işlem parametreleri sihm nötr ürünlerinin bileşimini güçlü bir şekilde etkiler.
Yukarıdaki ayrışma ve iyonlaşma reaksiyonlarına ek olarak, iyonik moleküller arasındaki ikincil reaksiyonlar da çok önemlidir
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Bu nedenle iyon konsantrasyonu açısından sih3+, sih2+'dan fazladır. Bu, SiH4 plazmasında sih3+ iyonlarının sih2+ iyonlarından daha fazla olmasının nedenini açıklayabilir.
Ayrıca plazmadaki hidrojen atomlarının SiH4'teki hidrojeni yakaladığı bir moleküler atom çarpışma reaksiyonu da gerçekleşecektir.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Bu, ekzotermik bir reaksiyondur ve si2h6 oluşumunun öncüsüdür. Elbette, bu gruplar yalnızca temel durumda değil, aynı zamanda plazmada uyarılmış duruma uyarılmış durumdadır. Silan plazmasının emisyon spektrumları, Si, SIH, h'nin optik olarak kabul edilebilir geçiş uyarılmış durumları ve SiH2, SiH3'ün titreşimsel uyarılmış durumları olduğunu göstermektedir.
Gönderi zamanı: Nis-07-2021