Масс-спектрометрия аргон-силановой плазмы тлеющего разряда

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 4. С. 110-113.

УДК 533.9

В.И. Струнин, А.С. Демин, А.Н. Кузнецов

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ АРГОН-СИЛАНОВОЙ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА*

Получены спектры масс аргон-силановой (Лг/8Ш4) плазмы низкого давления. Оценено влияние объемной доли силана в смеси на концентрацию пленкообразующих радикалов в активной зоне разряда.

Ключевые слова: плазма, тлеющий разряд, конденсированная дисперсная фаза, масс-спектрометрия, пылевые частицы.

В процессе осаждения тонких пленок аморфного гидрогенизирован-ного кремния важную роль играют параметры, влияющие на скорость роста покрытий: расход рабочего газа, давление в камере, мощность разряда и др. Скорость роста пленок может быть увеличена за счет мощности, вкладываемой в разряд, однако это приводит к снижению качества растущей пленки за счет увеличения дефектов [1]. Увеличение расхода кремнийсодержащего газа и давления приводит к формированию микрочастиц (пыли) в результате коагуляции силановых радикалов, поскольку увеличивается вероятность образования макромолекул (высших силанов), которые в конечном счете приводят к образованию конденсированной дисперсной фазы (КДФ) [2].

Цель данного исследования - определить оптимальную долю силана в рабочей смеси, чтобы сохранить высокую скорость осаждения и снизить вероятность образования КДФ.

В данном исследовании высокочастотный емкостной (ВЧЕ) разряд возбуждался ВЧ генератором ЛСО-бЪ в кварцевой камере длиной 100 мм, диаметром 70 мм. Мощность от генератора подавалась через систему согласования на разрядную камеру, где после установления рабочего давления инициировался тлеющий разряд. Содержание аргона и силана регулировалось с помощью устройства формирования потоков газовых смесей (УФПГС-4), которое позволяло приготавливать от 1 до 5 % концентрации 8Ш4 в смеси аргон-силан. Масс-спектры регистрировались с помощью радиочастотного монопольного масс-спектрометра РОМС-4.

После установления расхода аргон-силановой смеси определенной концентрации и давления 250 мТорр зажигался ВЧЕ разряд. Расход самой смеси с помощью программного обеспечения, идущего в комплекте со смесителем УФПГС-4, был установлен на значении 20 см3/мин. Удельная мощность разряда была постоянной и составляла 270 мВт/см2.

Сначала концентрация силана в смеси была установлена на значении 1 %, соответственно, 99 % аргона. На рис. 1 приведен масс-спектр газов, полученный с помощью масс-спектрометра РОМС-4.

Как видно, в спектре присутствуют радикалы БШ, 8Ш2 и 8Ш3, что подтверждается работами, проводившимися ранее [3]. Для наглядности на рис. 2 представлен небольшой участок спектра масс.

Был проведен анализ спектров масс смеси аргон-силана в плазме ВЧЕ разряда при значении концентрации силана значении 5 %, соответственно, 95 % аргона (см. рис. 3).

Аналогично предыдущему масс-спектру был выбран участок спектра в окрестности масс силановых радикалов. Результат представлен на рис. 4.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение о предоставлении гранта в форме субсидии № 14.В37.21.0771.

© В.И. Струнин, А.С. Демин, А.Н. Кузнецов, 2013

М, а.е.м

Рис. 1. Масс-спектр газов при разложении аргон-силановой смеси в плазме ВЧЕ разряда

М, а.е.м

Рис. 2. Участок масс-спектра с силановыми радикалами

М, а.е.м

Рис. 3. Масс-спектр при разложении аргон-силановой смеси в плазме ВЧЕ разряда

112

В.И. Струнин, А. С. Демин, А.Н. Кузнецов

М, а.е.м

Рис. 4. Участок масс-спектра с силановыми радикалами

После анализа полученных результатов, а также дополнения статистических данных промежуточными масс-спектрометричес-

кими измерениями с величиной концентрации силана в смеси 2, 3, 4 % был получен график зависимости удельной концентрации силановых радикалов от концентрации силана (рис. 5).

Обсуждение результатов

Разложение силана в плазме ВЧ разряда происходит по двум наиболее существенным каналам - в результате электронного удара: e + SiH4 ^SiH2 + 2H + e

^SiH3 + H + e

^SiH + H+H2 + e

^SiH2 + H2 + e

и взаимодействия с метастабильными частицами аргона Arm (3Ро,з), если используется смесь Ar/SiH4:

Arm + SiH4^SiH2 + 2H +Ar

Arm +SiH4^SiH3 + H + Ar.

Развал молекулы SiH4 электронным ударом наиболее вероятно протекает по каналу (R1): распределение продуктов реакции составляет 83 % для реакции (R1) и 17 % для (R2), остальные же реакции (R3-R4) имеют, по-видимому, малое сечение взаимодействия (по сравнению с суммарным сечением нейтральной диссоциации) [4].

Что касается метастабильных частиц Arm, то они образуются только в результате неупругих столкновений высокоэнергетич-ных электронов с атомами Ar:

е + Ar ^ Arm + e.

Ввиду высокого потенциала возбуждения («11.6 эВ) константа скорости реакции оказывается сравнимой со скоростью реакций (R1-R2). Очевидно, электронный удар, являясь инициатором химических реакций, оказывает значительное влияние на образование радикалов SiHm. Изменение начального состава газа существенно изменяет пове-

дение радикалов, в первую очередь 8Ш3, ВШ2, 8Ш, которые являются основным компонентом растущей пленки. Реакция Ыб, являясь дополнительным каналом разложения силана, увеличивает производство си-лила (БЩ3) в сравнении с плазмой чистого силана [5]. Однако время выхода 8Ш3 на равновесный уровень в смеси Аг/8Ш4 увеличивается. Это объясняется снижением числа газофазных процессов силила с другими радикалами, которые идут на образование силанов высших порядков, а потом и КДФ. Концентрация компонент, главным образом участвующих в образовании тонких пленок кремния, а именно: 8Ш, 8Ш2 и, вероятно, 8Ш3, растет пропорционально концентрации силана в аргон-силановой смеси, однако из графика видно, что отношение количества этих компонент к количеству участвующего в реакции силана растет не линейно, наблюдается увеличение удельных концентраций компонент при 2 %-ной концентрации силана в смеси. Очевидно, что при данном расходе силана будет наблюдаться наиболее рациональное использование силана при осаждении пленок аморфного кремния. Наличие локального максимума можно объяснить тем, что при повышении доли силана в смеси на концентрацию пленкообразующих компонентов будут влиять два конкурирующих процесса: эффективное девозбуждение метастабильного состояния Агт на молекулах силана и снижение концентрации 8Шт (т = 1-3) относительно поступающего 8Ш4 вследствие «обеднения» высокоэнергетической части функции распределения электронов. Дальнейшее увеличение доли силана в смеси приведет к увеличению числа реакций силановых радикалов с ЭЩ4, что увеличит вероятность образования высокомолекулярных соединений силана, а это плохо скажется на качестве растущей пленки.

С, а К, %

’ 4’

Рис. 5. График зависимости удельной концентрации силановых радикалов от концентрации силана

ЛИТЕРАТУРА

[1] Mashima S., Suzuki A. et al. Trial to control hydrogen content in a-Si:H deposited using rare-gas-deluted silane plasmas // Plasma Sources Sci. Technol. 1993. Vol. 2. P. 23-25.

[2] McCaughey M., Kushner M. A model for particulate contaminated glow discharges // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69. P. 6952-6960.

[3] Doyle J. R., Doughty D. A., Gallagher A. Silane dissociation products in deposition discharges // J. Appl. Phys. 1990. Vol. 68. P. 4375-4384.

[4] Perrin J. Modelling of the power dissipation and rovibrational heating and cooling in SiH4-H2 RF glow discharges // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. Vol. 26. P. 1662-1679.

[5] Струнин В. И., Ляхов А. А., Худайберге-нов Г. Ж., Шкуркин В. В. Моделирование процесса разложения силана в высокочастотной плазме // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 6. С. 109-114.