Реакции на поверхности

Поскольку поверхностные реакции при осаждении плёнок a-SiC:H недостаточно хорошо изучены, рассмотрим эту стадию формирования плёнки на примере a-Si:H. Поверхностный слой растущей пленки включает в себя следующие зоны [ 6 ] (см. рис. 3.2):

- поверхность, покрытую водородом, на которой происходит адсорбция радикалов;

- зона роста, где происходит термически активированное (Еa » 0,1 эВ) формирование связей Si-Si и десорбция водорода;

- зона стабилизации кремниевой сетки, где происходят релаксационные процессы.

Рис. 3.2. Поверхностный слой растущей пленки a-Si:H:

1 — поверхность; 2 — зона роста;3 — зона стабилизации.

Приближающийся к поверхности роста радикал сорбируется на поверхности. После этого возможны следующие процессы: отражение (десорбция), прилипание (поверхностная реакция с образованием продуктов в твердой фазе) и образование стабильной молекулы (силана). Каждый из вышеназванных процессов имеет свою вероятность. Вероятности этих процессов определяют вероятность протекания поверхностной реакции, обозначаемой b (0£b£1). Параметр b также носит название коэффициента потерь, и может быть выражен через вероятности вышеназванных процессов [ 6 ]:

, (3.1)

где r — коэффициент отражения; s — коэффициент прилипания; g — коэффициент образования стабильной летучей молекулы.

На рис. 3.3 схематично изображены процессы при формировании плёнки.

Реакции в газовой фазе

При изучении микроструктуры плёнок a-SiC:H необходимо обладать знаниями о протекании первичных и вторичных реакций в газовой фазе по причине их определяющей роли в формировании структуры. К первичным реакциям в газовой фазе относятся процессы диссоциации, возбуждения и ионизации молекул исходных газов в результате их неупругих столкновений с электронами. В случае исходной смеси (SiH4 + CH4), часто используемой для получения плёнок a-SiC:H, продуктами первичных реакций являются радикалы SiH3, SiH2, SiH, Si в основном и возбуждённом состояниях, ионы, электроны, фотоны и пр. Как показали экспериментальные исследования, наиболее существенный вклад в формирование пленок аморфного кремния приборного качества вносит радикал силил SiH3. Значения концентраций радикалов в разряде не превышают 0,001% от концентрации плазмообразующего газа [ 1 ].

Образование CHx-радикалов в смеси (SiH4+CH4) определяется процессом диссоциации метана прямым электронным ударом [ 2 ]:


CH4 + e –> CH*4 –> CH3 + H;

–> CH2 + H2;

–> CH + H2 + H;

–> C + 2H2.

Из всех каналов этой реакции наиболее вероятным считается первый (вероятность появления продуктов 0,6-0,8) [ 3 ].

В работе [ 4 ] авторы с помощью оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) определили химический состав силано-метановой плазмы. На рис. 3.1 приведены зависимости ОЭС-интенсивностей радикалов SiH, CH и H от состава газовой смеси в ВЧ разряде.

Закономерности формирования пленок a-SiС:H в плазме

Одним из традиционных способов получения пленок a-Si:H и сплавов на его основе является разложение смеси газов в ВЧ разрядной плазме. Существуют несколько типов таких систем, получивших название PECVD-реакторов (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition).

Исследования взаимосвязи между параметрами технологического процесса получения a-Si:H и a-SiС:H и структурной неоднородностью пленок (в виде зёрен колончатой морфологии, пузырьков, пор, шероховатостей поверхности) позволили установить, что на неоднородность пленки оказывают влияние:

- разбавление силана газом, при этом размеры неоднородностей структуры в ряду H2, Ne, He, Ar, Kr возрастают;

- увеличение мощности разряда;

- уменьшение температуры подложки.

Существуют определённые области технологических параметров, при синтезе в которых плёнки проявляют значительную неоднородность структуры. Например, плёнки a-Si:H, полученные в оптимальных условиях в тлеющем разряде при минимальной мощности, температуре подложки от 200 до 300 0С, и с использованием чистого силана, содержат минимальное число дефектов.

Оптимальные условия роста плёнок a-Si:H соответствуют температуре подложки Тп=200-300 0С. При этих условиях концентрация водорода составляет 12-16 ат. %. С повышением температуры подложки количество водорода в плёнке не достаточно для пассивации оборванных связей, что приводит к образованию дополнительного числа дефектов, связанных с водородными комплексами.

На общее содержание и формы вхождения водорода оказывают влияние технологические параметры процесса синтеза, примеси, содержащиеся в реакционной камере и т.д. Было отмечено, что с увеличением температуры подложки содержание водорода в плёнках a-Si:H уменьшается. При этом в a-Si:H происходит реконструкция связей от полигидридных форм на моногидридные

Физико-химические основы процесса осаждения слоев из газовой фазы

Рассмотрим технологию и реакции в газовой фазе на примере формирования плёнок a-Si:H (аморфного гидрогенизированного кремния) и a-SiC:H (аморфного гидрогенизированного сплава кремния с углеродом) из смеси газов SiH4 (силана) и CH4 (метана) в плазме тлеющего разряда.

Микроструктура и морфология плёнки формируются в процессе протекания реакций как в газовой фазе, так и на поверхности. Процесс формирования пленки включает в себя следующие стадии:

- образование химически активных частиц (ионов, радикалов и др.) в результате протекания первичных и вторичных реакций в газовой фазе;

- адсорбция частиц на поверхности и их поверхностная диффузия;

- протекание поверхностных реакций адсорбированных частиц;

- релаксация структуры образовавшейся пленки.

Таким образом, возникает необходимость в подробном рассмотрении всех этапов процесса роста плёнки для установления закономерностей формирования её микроструктуры и нахождения способов управлять ею посредством изменения параметров осаждения для получения плёнок приборного качества