1. Plazma bilan kuchaytirilgan kimyoviy bug'larni cho'ktirishning asosiy jarayonlari
Plazmada kuchaytirilgan kimyoviy bug' cho'ktirish (PECVD) - bu gazsimon moddalarning porlash razryadi plazmasi yordamida kimyoviy reaksiyasi orqali yupqa plyonkalarni o'stirishning yangi texnologiyasi. PECVD texnologiyasi gaz razryadi orqali tayyorlanganligi sababli, muvozanatsiz plazmaning reaksiya xususiyatlari samarali qo'llaniladi va reaksiya tizimining energiya ta'minoti rejimi tubdan o'zgaradi. Umuman olganda, PECVD texnologiyasi yupqa plyonkalarni tayyorlash uchun ishlatilganda, yupqa plyonkalarni o'stirish asosan quyidagi uchta asosiy jarayonni o'z ichiga oladi.
Birinchidan, muvozanatsiz plazmada elektronlar birlamchi bosqichda reaksiya gazi bilan reaksiyaga kirishib, reaksiya gazini parchalaydi va ionlar va faol guruhlar aralashmasini hosil qiladi;
Ikkinchidan, barcha turdagi faol guruhlar tarqaladi va plyonka yuzasiga va devoriga tashiladi va reaktivlar orasidagi ikkilamchi reaksiyalar bir vaqtning o'zida sodir bo'ladi;
Nihoyat, o'sish yuzasiga yetib boradigan barcha turdagi birlamchi va ikkilamchi reaksiya mahsulotlari adsorbsiyalanadi va sirt bilan reaksiyaga kirishadi, bu esa gazsimon molekulalarning qayta ajralib chiqishi bilan birga keladi.
Xususan, porlash zaryadsizlanishi usuliga asoslangan PECVD texnologiyasi tashqi elektromagnit maydon qo'zg'alishi ostida reaksiya gazini ionlashtirib plazma hosil qilishi mumkin. Yorug'lik zaryadsizlanishi plazmasida tashqi elektr maydoni tomonidan tezlashtirilgan elektronlarning kinetik energiyasi odatda taxminan 10 ev yoki undan ham yuqori bo'ladi, bu reaktiv gaz molekulalarining kimyoviy bog'lanishlarini yo'q qilish uchun etarli. Shuning uchun, yuqori energiyali elektronlar va reaktiv gaz molekulalarining noelastik to'qnashuvi orqali gaz molekulalari ionlanadi yoki parchalanadi va neytral atomlar va molekulyar mahsulotlar hosil bo'ladi. Musbat ionlar ion qatlamining tezlashtiruvchi elektr maydoni tomonidan tezlashadi va yuqori elektrod bilan to'qnashadi. Pastki elektrod yaqinida kichik ion qatlamining elektr maydoni ham mavjud, shuning uchun substrat ham ma'lum darajada ionlar tomonidan bombardimon qilinadi. Natijada, parchalanish natijasida hosil bo'lgan neytral modda naycha devoriga va substratga tarqaladi. Drift va diffuziya jarayonida bu zarrachalar va guruhlar (kimyoviy faol neytral atomlar va molekulalar guruhlar deb ataladi) qisqa o'rtacha erkin yo'l tufayli ion molekulasi reaksiyasi va guruh molekulasi reaksiyasidan o'tadi. Substratga yetib boradigan va adsorbsiyalanadigan kimyoviy faol moddalarning (asosan guruhlarning) kimyoviy xossalari juda faol bo'lib, plyonka ular orasidagi o'zaro ta'sir natijasida hosil bo'ladi.
2. Plazmadagi kimyoviy reaksiyalar
Yorug'lik chiqarish jarayonida reaksiya gazining qo'zg'alishi asosan elektronlar to'qnashuvi bo'lgani uchun, plazmadagi elementar reaksiyalar har xil va plazma va qattiq sirt o'rtasidagi o'zaro ta'sir ham juda murakkab, bu esa PECVD jarayonining mexanizmini o'rganishni qiyinlashtiradi. Hozirgacha ideal xususiyatlarga ega plyonkalarni olish uchun ko'plab muhim reaksiya tizimlari tajribalar orqali optimallashtirildi. PECVD texnologiyasiga asoslangan kremniy asosidagi yupqa plyonkalarni cho'ktirish uchun, agar cho'ktirish mexanizmi chuqur ochib berilsa, materiallarning ajoyib fizik xususiyatlarini ta'minlash asosida kremniy asosidagi yupqa plyonkalarning cho'ktirish tezligini sezilarli darajada oshirish mumkin.
Hozirgi vaqtda kremniy asosidagi yupqa plyonkalarni tadqiq qilishda vodorod suyultirilgan silan (SiH4) reaksiya gazi sifatida keng qo'llaniladi, chunki kremniy asosidagi yupqa plyonkalarda ma'lum miqdorda vodorod mavjud. H kremniy asosidagi yupqa plyonkalarda juda muhim rol o'ynaydi. U material tuzilishidagi osilib turgan bog'lanishlarni to'ldirishi, nuqson energiya darajasini sezilarli darajada kamaytirishi va materiallarning valent elektron nazoratini osongina amalga oshirishi mumkin. Spear va boshqalar birinchi bo'lib kremniy yupqa plyonkalarining qo'shimcha ta'sirini aniqlagan va birinchi PN birikmasini tayyorlaganlaridan beri, PECVD texnologiyasiga asoslangan kremniy asosidagi yupqa plyonkalarni tayyorlash va qo'llash bo'yicha tadqiqotlar juda katta yutuqlarga erishdi. Shuning uchun, PECVD texnologiyasi yordamida qo'yilgan kremniy asosidagi yupqa plyonkalardagi kimyoviy reaksiya quyida tavsiflanadi va muhokama qilinadi.
Yorug'lik zaryadsizlanishi sharoitida, silan plazmasidagi elektronlar bir nechta EV energiyasiga ega bo'lganligi sababli, H2 va SiH4 elektronlar bilan to'qnashganda parchalanadi, bu birlamchi reaksiyaga tegishli. Agar biz oraliq qo'zg'algan holatlarni hisobga olmasak, sihm (M = 0,1,2,3) ning H bilan quyidagi dissotsiatsiya reaksiyalarini olishimiz mumkin.
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)
Asosiy holat molekulalarining standart ishlab chiqarish issiqligiga ko'ra, yuqoridagi dissotsiatsiya jarayonlari (2.1) ~ (2.5) uchun zarur bo'lgan energiyalar mos ravishda 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 EV va 4.5 EV ni tashkil qiladi. Plazmadagi yuqori energiyali elektronlar ham quyidagi ionlanish reaksiyalariga kirishishi mumkin.
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) uchun zarur bo'lgan energiya mos ravishda 11.9, 12.3, 13.6 va 15.3 EV ni tashkil qiladi. Reaksiya energiyasining farqi tufayli (2.1) ~ (2.9) reaksiyalarining ehtimolligi juda notekis. Bundan tashqari, (2.1) ~ (2.5) reaksiya jarayoni bilan hosil bo'lgan sihm ionlanish uchun quyidagi ikkilamchi reaksiyalarga uchraydi, masalan.
SiH+e→SiH++2e (2.10)
SiH2+e→SiH2++2e (2.11)
SiH3+e→SiH3++2e (2.12)
Agar yuqoridagi reaksiya bitta elektron jarayoni orqali amalga oshirilsa, talab qilinadigan energiya taxminan 12 eV yoki undan ko'pni tashkil qiladi. Kremniy asosidagi plyonkalarni tayyorlash uchun atmosfera bosimi (10-100pa) ostida 1010 sm-3 elektron zichligiga ega kuchsiz ionlangan plazmada 10 ev dan yuqori yuqori energiyali elektronlar soni nisbatan kichik ekanligini hisobga olsak, kümülatif ionlanish ehtimoli odatda qo'zg'alish ehtimolidan kichikroq. Shuning uchun, silan plazmasidagi yuqoridagi ionlangan birikmalarning ulushi juda kichik va sihmning neytral guruhi dominant hisoblanadi. Massa spektr tahlili natijalari ham bu xulosani isbotlaydi [8]. Bourquard va boshqalar. Bundan tashqari, sihm konsentratsiyasi sih3, sih2, Si va SIH tartibida kamayganini, ammo SiH3 konsentratsiyasi SIH konsentratsiyasidan ko'pi bilan uch baravar ko'p ekanligini ta'kidladilar. Robertson va boshqalar. Sighmning neytral mahsulotlarida sof silan asosan yuqori quvvatli razryad uchun, sih3 esa asosan past quvvatli razryad uchun ishlatilgani haqida xabar berilgan. Konsentratsiyaning yuqoridan pastgacha bo'lgan tartibi SiH3, SiH, Si, SiH2 edi. Shuning uchun plazma jarayoni parametrlari sihm neytral mahsulotlarining tarkibiga kuchli ta'sir qiladi.
Yuqoridagi dissotsiatsiya va ionlanish reaksiyalaridan tashqari, ion molekulalari orasidagi ikkilamchi reaksiyalar ham juda muhimdir.
SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)
Shuning uchun, ion konsentratsiyasi nuqtai nazaridan, sih3+ sih2+ dan ko'proq. Bu nima uchun SiH4 plazmasida sih2+ ionlariga qaraganda sih3+ ionlari ko'proq ekanligini tushuntirishi mumkin.
Bundan tashqari, plazmadagi vodorod atomlari SiH4 tarkibidagi vodorodni ushlaydigan molekulyar atom to'qnashuvi reaksiyasi bo'ladi.
H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)
Bu ekzotermik reaksiya va si2h6 hosil bo'lishining oldingi omilidir. Albatta, bu guruhlar nafaqat asosiy holatda, balki plazmada qo'zg'algan holatga ham qo'zg'algan. Silan plazmasining emissiya spektrlari Si, SIH, h ning optik jihatdan ruxsat etilgan o'tish qo'zg'algan holatlari va SiH2, SiH3 ning tebranishli qo'zg'algan holatlari mavjudligini ko'rsatadi.
Nashr vaqti: 2021-yil 7-aprel