Molecular dynamics simulations of H-induced plasma processes and cluster-catalyzed epitaxial growth of thin silicon films - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2014

Molecular dynamics simulations of H-induced plasma processes and cluster-catalyzed epitaxial growth of thin silicon films

Simulations de dynamique moléculaire des processus de plasma induits par l'hydrogène atomique et la croissance épitaxiale de couches minces de silicium catalysée par l'impact d'agrégats

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Abstract

Three different processes taking place in a plasma reactor; namely, heating and melting of plasma-born hydrogenated silicon clusters by reactions with atomic hydrogen, hydrogen-induced healing of cluster-damaged silicon surfaces, and cluster-catalyzed epitaxial growth of thin silicon films have been investigated by means of molecular dynamics simulations. Two plasma-born hydrogenated silicon clusters representing amorphous and crystalline structures are chosen to be exposed to atomic hydrogen as in a realistic plasma reactor. We investigate quantitatively how the clusters heat up and melt by the subsequent reactions with H-atoms. A silicon surface which was partly damaged by a too violent cluster impact has been treated by hydrogen atoms. We have observed that the ill-defined silicon surface is rearranged to its initial crystalline structure after the exposure with atomic hydrogen if the appropriate H-atom flux is chosen; i.e., due to the surface reaction dynamics with hydrogen atoms, the silicon atoms of the investigated hydrogenated silicon cluster are positioned in an epitaxial surface structure. We have performed an in-depth study of the deposition dynamics of hydrogenated silicon clusters on a crystalline silicon substrate by controlling the parameters governing the cluster surface deposition. We have found that epitaxial growth of thin silicon films can be obtained from cluster deposition if the impact energies are sufficiently high for cluster atoms and surface atoms touching the cluster to undergo a phase transition to the liquid state before being recrystallized in an epitaxial order. Yet more strikingly, by applying a non-normal incidence angle for the impinging clusters, the epitaxial growth efficiency could considerably be enhanced. Those findings are crucially important to improve the high-speed growth of epitaxial silicon thin films at low temperatures using Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) techniques for industrial applications.
Trois processus qui ont lieu dans un réacteur à plasma ont été étudiés au moyen de simulations de dynamique moléculaire: le chauffage et la fusion des agrégats de silicium hydrogéné par des réactions avec l'hydrogène atomique, la guérison induite par l'hydrogène des surfaces de silicium auparavant endommagées par l'impact violent d'agrégats, et la croissance épitaxiale des couches minces catalysée par des agrégats de silicium hydrogéné. Deux agrégats de silicium hydrogéné qui représentent des structures amorphes et cristallines sont choisis pour être exposés à l'hydrogène atomique comme dans un réacteur à plasma réaliste. Nous avons étudié quantitativement comment les agrégats chauffent et fondent par des réactions avec des atomes d'hydrogène. Une surface de silicium qui a été partiellement endommagée par l'impact violent d'un agrégat a été traitée par des atomes d'hydrogène. Nous avons observé que la surface du silicium mal définie est réarrangée à sa structure cristalline initiale après l'exposition à l'hydrogène atomique ; à savoir, en raison de la dynamique de réaction de surface avec des atomes d'hydrogène, les atomes de silicium de l'agrégat de silicium hydrogéné sont positionnés dans une structure épitaxiale de la surface. Ensuite, nous avons effectué une étude approfondie sur la dynamique du dépôt des agrégats de silicium hydrogéné sur un substrat de silicium cristallin en contrôlant les paramètres régissant le dépôt d'agrégat sur la surface. Nous avons trouvé que la croissance épitaxiale de couches minces de silicium peut être obtenue à partir de dépôts d'agrégats si les énergies d'impact sont suffisamment élevées pour que les atomes de l'agrégat et des atomes de la surface touchant l'agrégat subissent une transition de phase à l'état liquide avant d'être recristallisés dans un ordre épitaxial. Ce processus est d'une importance cruciale pour améliorer la croissance épitaxiale à grande vitesse des couches minces de silicium à basse température en utilisant la technique PECVD (" Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ") pour des applications industrielles.
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Dates and versions

pastel-00985657 , version 1 (30-04-2014)

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  • HAL Id : pastel-00985657 , version 1

Cite

Ha-Linh Thi Le. Molecular dynamics simulations of H-induced plasma processes and cluster-catalyzed epitaxial growth of thin silicon films. Computational Physics [physics.comp-ph]. Ecole Polytechnique X, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00985657⟩
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