1. Плазма белән көчәйтелгән химик пар утыртуның төп процесслары
Плазма белән көчәйтелгән химик пар чыгару (PECVD) - газсыман матдәләрнең ялтыравыклы разряд плазмасы ярдәмендә химик реакциясе юлы белән юка пленкалар үстерү өчен яңа технология. PECVD технологиясе газ разрядкасы юлы белән әзерләнгәнлектән, тигез булмаган плазманың реакция үзенчәлекләре нәтиҗәле кулланыла, һәм реакция системасының энергия белән тәэмин итү режимы төптән үзгәрә. Гомумән алганда, PECVD технологиясе юка пленкалар әзерләү өчен кулланылганда, юка пленкалар үстерү, нигездә, түбәндәге өч төп процессны үз эченә ала.
Беренчедән, тигез булмаган плазмада электроннар беренчел стадиядә реакция газы белән реакциягә керәләр, реакция газын таркаталар һәм ионнар һәм актив төркемнәр катнашмасын барлыкка китерәләр;
Икенчедән, барлык төр актив төркемнәр дә диффузияләнә һәм пленка өслегенә һәм стенасына күчә, һәм реагентлар арасында икенчел реакцияләр бер үк вакытта бара;
Ниһаять, үсеш өслегенә килеп җиткән барлык төр беренчел һәм икенчел реакция продуктлары адсорбцияләнә һәм өслек белән реакциягә керә, шуның белән газсыман молекулалар кабат чыгарыла.
Аерым алганда, ялтыравыклы разряд ысулына нигезләнгән PECVD технологиясе тышкы электромагнит кыры кузгатуы астында реакция газын ионлаштырып плазма формалаштыра ала. Ялтыравыклы разряд плазмасында тышкы электр кыры белән тизләтелгән электроннарның кинетик энергиясе гадәттә якынча 10 эВ, яки хәтта югарырак була, бу реактив газ молекулаларының химик бәйләнешләрен җимерү өчен җитә. Шуңа күрә, югары энергияле электроннар һәм реактив газ молекулаларының эластик булмаган бәрелешүе аша газ молекулалары ионлаштырыла яки таркала, нейтраль атомнар һәм молекуляр продуктлар барлыкка китерә. Уңай ионнар ион катламы тизләтүче электр кыры белән тизләнә һәм өске электрод белән бәрелешә. Аскы электрод янында кечкенә ион катламы электр кыры да бар, шуңа күрә субстрат та билгеле бер дәрәҗәдә ионнар белән бомбага тотыла. Нәтиҗәдә, таркалу нәтиҗәсендә барлыкка килгән нейтраль матдә трубка стенасына һәм субстратка тарала. Дрейф һәм диффузия процессында бу кисәкчәләр һәм төркемнәр (химик яктан актив нейтраль атомнар һәм молекулалар төркемнәр дип атала) кыска уртача ирекле юл аркасында ион молекуласы реакциясенә һәм төркем молекуласы реакциясенә дучар булачак. Субстратка барып җиткән һәм адсорбцияләнгән химик актив матдәләрнең (нигездә, төркемнәрнең) химик үзлекләре бик актив, һәм пленка алар арасындагы үзара тәэсир итешү нәтиҗәсендә барлыкка килә.
2. Плазмадагы химик реакцияләр
Ялтыравык разряд процессында реакция газының кузгалуы, нигездә, электроннар бәрелеше булганлыктан, плазмадагы элементар реакцияләр төрле, һәм плазма белән каты өслек арасындагы үзара бәйләнеш тә бик катлаулы, бу PECVD процессы механизмын өйрәнүне катлауландыра. Хәзерге вакытка кадәр күп кенә мөһим реакция системалары идеаль үзлекләргә ия пленкалар алу өчен экспериментлар ярдәмендә оптимальләштерелде. PECVD технологиясенә нигезләнгән кремний нигезендәге юка пленкаларны урнаштыру өчен, әгәр урнаштыру механизмын тирәнтен ачып булса, материалларның бик яхшы физик үзлекләрен тәэмин итү шарты белән кремний нигезендәге юка пленкаларның урнаштыру тизлеген күпкә арттырырга мөмкин.
Хәзерге вакытта кремний нигезендәге юка пленкаларны тикшеренүдә водород белән сыекландырылган силан (SiH4) реакция газы буларак киң кулланыла, чөнки кремний нигезендәге юка пленкаларда билгеле бер күләмдә водород бар. Н кремний нигезендәге юка пленкаларда бик мөһим роль уйный. Ул материал структурасындагы асылынып торган бәйләнешләрне тутыра, кимчелек энергия дәрәҗәсен сизелерлек киметә һәм материалларның валент электрон контролен җиңел башкара ала. Спир һ.б. беренче тапкыр кремний юка пленкаларының легирлау эффектын аңлаганнан һәм беренче PN тоташуын әзерләгәннән бирле, PECVD технологиясенә нигезләнгән кремний нигезендәге юка пленкаларны әзерләү һәм куллану буенча тикшеренүләр зур үсеш алды. Шуңа күрә, PECVD технологиясе белән урнаштырылган кремний нигезендәге юка пленкалардагы химик реакция түбәндә тасвирланачак һәм тикшереләчәк.
Ялтыравык разряд шартында, силан плазмасындагы электроннар берничәдән артык EV энергиясенә ия булганлыктан, H2 һәм SiH4 электроннар белән бәрелешкәндә таркала, бу беренчел реакциягә карый. Әгәр без арадаш кузгалган халәтләрне исәпкә алмасак, sihm (M = 0,1,2,3) белән H белән түбәндәге диссоциация реакцияләрен ала алабыз.
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)
Төп халәт молекулаларының стандарт җитештерү җылылыгы буенча, югарыда күрсәтелгән диссоциация процесслары өчен кирәкле энергияләр (2.1) ~ (2.5) 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 ЭВ һәм 4.5 ЭВ тәшкил итә. Плазмадагы югары энергияле электроннар шулай ук түбәндәге ионлашу реакцияләренә керә ала.
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) өчен кирәкле энергия 11.9, 12.3, 13.6 һәм 15.3 ЭВ тәшкил итә. Реакция энергиясе аермасы аркасында, (2.1) ~ (2.9) реакцияләренең ихтималы бик тигез түгел. Моннан тыш, (2.1) ~ (2.5) реакция процессы белән барлыкка килгән сигм ионлашу өчен түбәндәге икенчел реакцияләрне кичерәчәк, мәсәлән,
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Әгәр югарыдагы реакция бер электрон процессы ярдәмендә башкарылса, якынча 12 эВ яки аннан да күбрәк энергия кирәк. Кремний нигезендәге пленкалар әзерләү өчен атмосфера басымы (10-100па) астында 1010 см-3 булган зәгыйфь ионлаштырылган плазмада 10 эВ тан югарырак югары энергияле электроннар саны чагыштырмача аз булуын исәпкә алып, кузгату ихтималы гадәттә кузгату ихтималыннан кечерәк. Шуңа күрә, силан плазмасында югарыдагы ионлаштырылган кушылмаларның өлеше бик аз, һәм sihm нейтраль төркеме өстенлек итә. Масса спектр анализы нәтиҗәләре дә бу нәтиҗәне раслый [8]. Буркуард һ.б. Моннан тыш, sihm концентрациясенең sih3, sih2, Si һәм SIH тәртибендә кимүен, ләкин SiH3 концентрациясенең SIH концентрациясеннән өч тапкырдан да күбрәк булуын күрсәттеләр. Робертсон һ.б. sihm нейтраль продуктларында саф силан, нигездә, югары куәтле разряд өчен кулланылган, ә sih3, нигездә, түбән куәтле разряд өчен кулланылган дип хәбәр ителә. Концентрациянең югарыдан түбәнгә таба тәртибе SiH3, SiH, Si, SiH2 иде. Шуңа күрә плазма процессы параметрлары sihm нейтраль продуктларының составына нык тәэсир итә.
Югарыда күрсәтелгән диссоциация һәм ионлашу реакцияләреннән тыш, ион молекулалары арасындагы икенчел реакцияләр дә бик мөһим.
SiH2 ＋+ SiH4 → SiH3 ++ SiH3 (2.13)
Шуңа күрә, ион концентрациясе ягыннан, sih3+ sih2+ га караганда күбрәк. Бу SiH4 плазмасында ни өчен sih2+ ионнарына караганда sih3+ ионнары күбрәк булуын аңлата ала.
Моннан тыш, плазмадагы водород атомнары SiH4 эчендәге водородны тотып ала торган молекуляр атом бәрелеше реакциясе булачак.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Бу экзотермик реакция һәм si2h6 барлыкка килү өчен алшарт. Әлбәттә, бу төркемнәр төп халәттә генә түгел, ә плазмада кузгалган халәткә дә кузгалган. Силан плазмасының эмиссия спектрлары Si, SIH, h кушучан халәтләренең оптик яктан рөхсәт ителгән күчүен һәм SiH2, SiH3 кушучан халәтләренең тибрәнүчән булуын күрсәтә.
Бастырып чыгару вакыты: 2021 елның 7 апреле