PECVD法制備多晶硅薄膜課件

1、畢業(yè)論文題目PECVD法制備多晶硅薄膜研究學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：總綱 1太陽能光伏行業(yè) 2太陽能電池 3論文主要任務(wù) 4論文重點(diǎn)內(nèi)容 5總結(jié)及展望論文重點(diǎn)內(nèi)容1 多晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)和特性2 多晶硅薄膜的制備方法3 PECVD設(shè)備和基本原理4 PECVD沉積動(dòng)力學(xué)分析5 PECVD制備多晶硅薄膜影響因素論文主要任務(wù)了解太陽能光伏行業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，搜集太陽能電池的相關(guān)信息。掌握多晶硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、性能要求，為后面分析奠定基礎(chǔ)?？偨Y(jié)歸納多晶硅薄膜的主要制備方法。PECVD可以低溫、直接制備多晶硅薄膜，具有美好的發(fā)展前景。掌握PECVD設(shè)備和基本原理，了解PECVD制備多晶硅薄膜中，沉積

2、的動(dòng)力學(xué)過程。研究探討PECVD制備多晶硅薄膜中的主要影響因素：反應(yīng)氣源、襯底材料、氫稀釋濃度(硅烷濃度)、襯底溫度、射頻功率、反應(yīng)氣體壓強(qiáng) 等。通過Raman光譜、SEM、數(shù)據(jù)曲線圖等同步結(jié)合沉積理論，給出各影響因素的理論解釋，對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。太陽能光伏行業(yè)發(fā)展趨勢(shì) 太陽是萬物之源，它不但清潔，而且取之不盡用之不竭，對(duì)環(huán)境無任何污染。 21世紀(jì)以來，全球太陽能電池產(chǎn)業(yè)平均年增長率達(dá)30%以上，近五年來，全球太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的年增長率高達(dá)50%。 據(jù)研究機(jī)構(gòu)Solarbuzz發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2008年，盡管受到全球金融危機(jī)的影響，但全球世界太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的5.

3、95GW，比2007年增長110%。同期，全球太陽能光伏電池產(chǎn)量從2007年的3.44GW增長到6.85GW，整體產(chǎn)能利用率達(dá)到67%。2008年全球光伏市場(chǎng)總收入則達(dá)到371億美元。 據(jù)世界能源組織（IEA） 、 歐洲聯(lián)合研究中心、 歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2020年世界光伏發(fā)電將占總電力的1%，到2040年光伏發(fā)電將占全球發(fā)電量的20%，按此推算未來數(shù)十年，全球光伏產(chǎn)業(yè)的增長率將高達(dá)25%30%。 無錫尚德太陽能電池有限公司是我國最大的太陽能電池生產(chǎn)廠家，2005年生產(chǎn)82MW，占全國總產(chǎn)量的56.3占晶體硅太陽能電池的61.7%。2007年，尚德太陽能電池有限公司已成為全球第六大生產(chǎn)商。南

4、京中電太陽能公司的產(chǎn)能也由2004年的30MW增加到100M國內(nèi)總產(chǎn)能占全球的16.7%。保定英利綠色能源有限公司是全球最大的垂直一體化光伏發(fā)電產(chǎn)品制造商之一。2007年，公司鑄錠、硅片、電池、組件產(chǎn)能均達(dá)到200MW，2008年達(dá)到400MW，2009年達(dá)到600MW 。 據(jù)中國太陽能協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2007年國內(nèi)太陽能電池的產(chǎn)量約為1180MWp，在全球太陽能光伏電池市場(chǎng)的份額達(dá)到27%。 同期，歐洲、 日本和美國的產(chǎn)量分別是1062、 920和266MWp。2007年世界前16家太陽電池公司中，中國已經(jīng)占有了6家，中國已成為名副其實(shí)的太陽能電池世界第一大國。 但中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出

5、“兩頭在外” 的格局，即中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的主要銷售市場(chǎng)以及核心技術(shù)和原材料都主要來自國際市場(chǎng)。國家應(yīng)通過稅收優(yōu)惠政策、 政策性貸款和專項(xiàng)資金，鼓勵(lì)優(yōu)勢(shì)企業(yè)進(jìn)行高純度硅料等核心技術(shù)和薄膜電池等新興技術(shù)的研發(fā)。 這將會(huì)大大提高國內(nèi)太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)中國從太陽能光伏產(chǎn)業(yè)大國躍升為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國。 太陽能電池原理和分類能量大于構(gòu)成p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg的光子被價(jià)帶電子所吸收，價(jià)帶電子吸收光子后激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離。光生電子和光生空穴分別積累在n區(qū)和p區(qū)，n區(qū)有了過剩電子，p區(qū)有了過剩空穴，這就建立起了p區(qū)為正、n區(qū)為負(fù)的光生電動(dòng)勢(shì)，即

6、光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)。一：晶體硅太陽能電池 主要有單晶硅和多晶硅電池，光電轉(zhuǎn)換效率高，工藝成熟，在目前仍然占有市場(chǎng)的主要份額。但耗材大，生產(chǎn)成本高。二：薄膜太陽能電池薄膜太陽電池又叫第二代太陽電池，主要有硅薄膜型太陽能電池(多晶硅、非晶硅)、半導(dǎo)體化合物薄膜型太陽能電池(III-V族化合物(GaAs、InP等)、II-VI族化合物(CdTe、CIGS等)、新材料薄膜型太陽能電池(有機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽電池和染料敏化太陽能電池) 等。下面將分別做一下介紹 2.1非晶硅和微晶硅太陽能電池 非晶硅薄膜電池成本低，但SW效應(yīng)使其應(yīng)用受限，微晶硅降低了電池的光致衰退。和非晶硅相比，微晶硅則具有較好的

7、長波光譜響應(yīng)特性。2.2多晶硅薄膜太陽能電池 多晶硅薄膜太陽電池因同時(shí)具有單晶硅的高遷移率，長壽命及非晶硅材料成本低、可大面積制備，材料制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),且無光致衰減效應(yīng)。多晶硅薄膜電池技術(shù)可望使太陽電池組件的成本得到更大程度的降低,從而使得光伏發(fā)電的成本能夠與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)目前認(rèn)為，影響多晶硅薄膜太陽能電池性能的主要因素是晶粒尺寸，晶界寬度和有害雜質(zhì)的含量及分布方式。此外影響電池光電轉(zhuǎn)換效率的因素還有：禁帶寬度，溫度，載流子的復(fù)合壽命，光強(qiáng)，參雜濃度及剖面分布，表面復(fù)合速率以及襯底因素等 納米多晶硅薄膜太陽能電池基于納米尺寸的多晶硅薄膜，當(dāng)晶粒尺寸為幾個(gè)納米時(shí)，會(huì)產(chǎn)生量子特性，其導(dǎo)電不

8、再是由熱電子引起，而是由量子隧穿效應(yīng)代替。納米多晶硅薄膜太陽能電池可以在廉價(jià)襯底上制備，且無效率衰減問題，轉(zhuǎn)化效率比非晶硅薄膜太陽能電池高，成本低，所以具有市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?.3GaAs太陽能電池GaAs具有直接能帶隙，寬度1.42eV。實(shí)驗(yàn)室最高效率已達(dá)到24%以上。砷化鎵太陽電池目前大多用液相外延方法或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，因此成本高，產(chǎn)量受到限制。砷化嫁太陽電池目前主要用在航天器上。2.4CdTe薄膜電池 CdTe（碲化鎘）是為帶隙1.46eV的直接躍遷型半導(dǎo)體，其禁帶寬度隨溫度變化很小，非常接近光伏材料理想禁帶寬度。它的光譜響應(yīng)與太陽光譜十分吻合，且光吸收系數(shù)極大（105cm）。

9、其理論轉(zhuǎn)換效率為28。2.5有機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽電池 有機(jī)薄膜太陽電池以其原料易得，廉價(jià)，環(huán)境穩(wěn)定性高，良好的光伏效應(yīng)等，日益被人們所重視。但是由于高分子材料大都為無定型，即使有結(jié)晶度但是載流子和遷移率依然都很低。因此在轉(zhuǎn)換效率、光譜響應(yīng)范圍、電池的穩(wěn)定性方面，有機(jī)太陽電池仍待提高除了上述的太陽能電池外，近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高效太陽能電池、層疊結(jié)構(gòu)太陽能電池發(fā)展迅速，各種提高光電轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)組合方案被提出。三：第三代太陽電池 目前標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率上限為33%,但是分局卡諾循環(huán)太陽能轉(zhuǎn)化為電能效率可達(dá)到95%,這說明太陽電池的效率還有很大的提高空間 。目前的第三代太陽電池還停留

10、在概念和簡(jiǎn)單試驗(yàn)研究階段。第三代太陽能電池主要有前后重疊電池、多能帶電池、熱太陽能電池、熱載流子電池和沖擊離子化太陽能電池(又叫量子點(diǎn)電池Quantum Dot Solar Cells)等。多晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)和特性多晶硅薄膜因具有各種良好的電學(xué)性能和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在太陽能電池、傳感器、液晶顯示、薄膜晶體管（TFT）和大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。多晶硅薄膜是由許多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的。晶粒與晶粒之間的區(qū)域稱為晶界,其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，晶界厚度通常為幾個(gè)原子層。晶界和晶粒的結(jié)構(gòu)不同，它們的原子化學(xué)勢(shì)也不同。晶界包含很多復(fù)合中心(懸掛鍵或雜質(zhì))，光致載流子在被結(jié)分開之前，如果碰到晶

11、界，會(huì)導(dǎo)致電子和空穴的復(fù)合，從而降低電池效率。所以晶界對(duì)太陽電池性能的影響很大。因此，如何加大晶粒尺度從而減少晶界，如何提高晶化率鈍化晶界，如何使晶粒具有擇優(yōu)取向形成柱狀結(jié)晶從而避開晶界的影響，是制備優(yōu)質(zhì)多晶硅薄膜的主要研究方向。納米硅薄膜(nc-Si:H)作為一種新型半導(dǎo)體材料，是由納米數(shù)量級(jí)Si晶粒組成的一種薄膜。膜層中的晶態(tài)成分和界面原子占總體積的是比例約各為50%。與傳統(tǒng)的非晶硅(a-Si:H)、微晶硅(c-Si:H)和多晶硅（pc-Si:H)相比，nc-Si:H膜的晶粒尺寸降到了納米級(jí)，使得它具有新穎的結(jié)構(gòu)特征，呈現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理性質(zhì)：電導(dǎo)率高、電學(xué)激活能低(600)和低溫制備技術(shù)

12、(600)。另一種分類是按照制備過程，可分為直接制備方法和間接制備方法，主要有以下六種 ：一 化學(xué)氣相沉積法(CVD)、二 液相外延技術(shù)（LPE）、三 固相晶化法（SPC）、四 金屬誘導(dǎo)晶化（MIC）、五 區(qū)域熔化再結(jié)晶法（ZMR）、六 激光晶化法(LIC)。直接法就是通過不同的反應(yīng)條件以控制最初晶粒的形成并直接長大在基片襯底上制備多晶硅的方法。一 化學(xué)氣相沉積法(CVD)1.1等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）PECVD法是利用輝光放電的熱電子、正離子的能量使SiH4等氣體分解，生成活性粒子硅原子、氫原子或原子團(tuán)，使之沉積在溫度較低的襯底上從而獲得多晶硅薄膜。 PECVD方法區(qū)別于其他C

13、VD方法的特點(diǎn)在于等離子體中含有大量高能量的電子，它們可以提供化學(xué)氣相沉積過程所需要的激活能Ea。于是反應(yīng)氣體雖然處于環(huán)境溫度，但卻能使反應(yīng)氣體在等離子體中受激、分解、離解和離化，從而大大地提高了參與反應(yīng)物的活性。1.2常壓(APCVD)和低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）APCVD系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是具有高的沉積速率，良好的薄膜均勻性，同時(shí)設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝易控，可以實(shí)現(xiàn)大面積成膜。缺點(diǎn)是制備的薄膜包含微粒。因此需經(jīng)常對(duì)沉積室進(jìn)行清洗。LPCVD具有生長速度快，成膜致密、均勻和裝片容量大等特點(diǎn)。用該方法制備多晶硅薄膜一般選用硅烷作為氣源，反應(yīng)氣壓控制在50一133Pa,通過LPCVD法直接沉積在襯底上，但是

14、由于沉積溫度較高，所以襯底材料只能使用石英而不能采用廉價(jià)的普通玻璃。 1.3熱絲化學(xué)氣相沉積法(HWCVD)HWCVD的優(yōu)點(diǎn)是高溫?zé)峤z使氣體分解，沉積速率高。沉積溫度為175一400，可用廉價(jià)玻璃襯底。但在高溫下燈絲蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬原子沉入膜中，對(duì)薄膜造成污染,在高沉積速率下，薄膜中形成微空洞，易氧化。二 液相外延技術(shù)（LPE）液相外延(LPE)法首先將Si在較高的溫度下溶解于金屬溶劑，然后通過降低溶液的溫度使之處于過飽和狀態(tài)。在此過程中所析出的Si將沉積在與溶液接觸的高溫襯底上。因?yàn)閷儆谝粋€(gè)接近熱平衡的生長過程，液相外延所制的Si薄膜具有較低的結(jié)構(gòu)缺陷密度、較低的內(nèi)應(yīng)力和較低的界面復(fù)合率。 而

15、所謂的間接制備法就是指首先在基片襯底上制備一層非晶硅薄膜，再通過之后的處理制備多晶硅薄膜的方法。主要有：三 固相晶化法（SPC）固相晶化技術(shù)是指激發(fā)固態(tài)下的非晶硅薄膜使其熔化重組，從而使非晶硅薄膜轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜的技術(shù)。固相晶化法的優(yōu)點(diǎn)是能制備大面積的超薄薄膜，可進(jìn)行原位摻雜，成本低，工藝簡(jiǎn)單、易操作，易于形成生產(chǎn)線。缺點(diǎn)是退火溫度通常在600以上，通常只能選擇石英或單晶硅。 四 金屬誘導(dǎo)晶化（MIC）90年代以來人們發(fā)現(xiàn)非晶硅中加入一些金屬如Al，Cu，Au，Ag，Ni等，能夠降低非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變的相變能量，在溫度低于500時(shí)進(jìn)行退火將非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅。該方法誘導(dǎo)的多晶硅薄膜中含有大量的

16、金屬離子，破壞了硅薄膜的電學(xué)特性，所以多晶硅薄膜的電學(xué)性能不好。五 區(qū)域熔化再結(jié)晶法（ZMR）區(qū)域熔化再結(jié)晶法是指將一束很窄的源能量在硅薄膜的表面移動(dòng)以使硅薄膜材料的不同區(qū)域依次熔化再結(jié)晶。 六 激光晶化法(LIC)激光晶化法主要是利用瞬間激光脈沖產(chǎn)生的高能量入射到非晶硅薄膜表面, 僅在薄膜表層產(chǎn)生熱能效應(yīng), 使非晶硅薄膜在瞬間達(dá)到 1000左右, 從而實(shí)現(xiàn)非晶硅向多晶硅的轉(zhuǎn)變。在此過程中, 激光脈沖的瞬間能量被非晶硅薄膜吸收并轉(zhuǎn)化為相變能, 因此不會(huì)有過多的熱能傳導(dǎo)到薄膜襯底。因此激光晶化技術(shù)已成為一種具有良好應(yīng)用前景的多晶硅薄膜制備技術(shù)。此外，電子束蒸發(fā)(EBE), 層轉(zhuǎn)移方法, 光CVD

17、法、超高真空CVD、催化CVD, 自組織生長（SOG）、部分摻雜法、真空蒸發(fā)、電化學(xué)陽極腐蝕法等方法和濺射沉積法(包括MS（Magnetron sputtering）磁控濺射、HFS（high frequency sputtering）高頻濺射、等離子體濺射法)也可用來制備多晶硅薄膜電池 PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu)PECVD系統(tǒng)有很多種類型，其主要組成部件有：真空室組件、直流電源、基片水冷加熱臺(tái)、窗口及法蘭接口部件、工作氣路、抽氣機(jī)組（機(jī)械泵和分子泵）、閥門及管道、真空測(cè)量及電控系統(tǒng)。直流輝光放電系統(tǒng)組成如下圖所示：圖1 PECVD設(shè)備外觀圖 圖2 直流輝光放電PECVD沉積系統(tǒng)示意圖PECVD基本原

18、理等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)是在沉積室內(nèi)建立高壓電場(chǎng)，反應(yīng)氣體在一定氣壓和高壓電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生輝光放電,反應(yīng)氣體被激發(fā)成非?；顫姷姆肿?，原子，離子和原子團(tuán)構(gòu)成的等離子體。正離子和電子在高壓電場(chǎng)的作用下，獲得足夠的能量，參與化學(xué)反應(yīng)，大大降低了沉積反應(yīng)溫度，加速了化學(xué)反應(yīng)過程，提高了沉積速率 。圖3 直流輝光氣體放電體系模型PECVD沉積動(dòng)力學(xué)分析等離子體沉積的動(dòng)力學(xué)過程可以分為三步:(1) 激活基的產(chǎn)生:具有一定能量的電子主要通過雪崩電離被激活，這些具有高能量的電子通過碰撞而激活分子，產(chǎn)生中性基和離化的反應(yīng)物。(2) 基的吸附和離子的介入:中性基一旦形成就會(huì)與表面作用。等離子體

19、本身能產(chǎn)生活性的表面位置，中性基可能被結(jié)合。這兩種效應(yīng)都可促使薄膜的形成。離子也可以把已經(jīng)沉積上的一些物質(zhì)重新濺射出來。這種反濺射會(huì)影響薄膜的密度和粘附性。(3) 吸附物質(zhì)的再排列:一旦原子達(dá)到表面，就會(huì)重新排列。原子向穩(wěn)定位置的移動(dòng)取決于襯底溫度。在較高的襯底溫度下，薄膜的質(zhì)量較好。PECVD系統(tǒng)中，制備多晶硅薄膜以SiH4作源，通過輝光放電使SiH4分解淀積而得到的。當(dāng)硅烷濃度很高時(shí)，產(chǎn)生了如下的化學(xué)反應(yīng)式中的m可取1、2、3等，r1和r2代表兩個(gè)不同反應(yīng)方向的反應(yīng)速率。實(shí)際發(fā)生的過程遠(yuǎn)比上式復(fù)雜，SiH4生成Si的過程中有許多中間產(chǎn)物，分解反應(yīng)有幾十個(gè)，每個(gè)反應(yīng)都是可逆的。從原理上來講，

20、利用上述反應(yīng)式是可行的 PECVD制備多晶硅薄膜影響因素PECVD法制備多晶硅薄膜中，影響因素有很多，探討幾個(gè)主要的因素有著實(shí)際的意義。這些因素主要有：1 反應(yīng)氣源2 襯底材料3 氫稀釋濃度(硅烷濃度)4 襯底溫度5 反應(yīng)氣體壓強(qiáng) 6 射頻功率反應(yīng)氣源硅源氣體的選擇將會(huì)直接影響到最終薄膜沉積的好壞。當(dāng)前較常用的硅源組合是SiH4/H2、SiF4/H2、SiCl4/H2、SiH2Cl2/H2等。SiF4/H2組合硅源是制備太陽能電池材料的一種較新、較好的方法，F(xiàn)元素在薄膜生長和降低沉積溫度中起很大作用，可以實(shí)現(xiàn)原位的化學(xué)腐蝕和化學(xué)清潔作用，通過腐蝕襯底控制襯底的表面粗糙度等。 但是SiF4/H2

21、、SiCl4/H2、SiCl4/H2、SiH2Cl2/H2中的無論哪種氣源，都存在鹵族元素，使得實(shí)驗(yàn)過程可能污染薄膜，產(chǎn)生的廢氣中主要是氟化氫和氯化氫，有毒性，還會(huì)不斷腐蝕生產(chǎn)設(shè)備，增加了維護(hù)設(shè)備的成本。相對(duì)而言，應(yīng)用SiH4/H2作為氣源，廢氣中幾乎沒有毒性，避免了對(duì)設(shè)備儀器的腐蝕，減少了維護(hù)成本。此方法應(yīng)用和研究成熟，對(duì)工藝設(shè)備要求比較低。因此多以其為氣源。返回襯底材料襯底的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性、表面形貌、以及與硅材料的晶格匹配都對(duì)所沉積的多晶硅有很大的影響。從其他條件均一致的SEM可以看出，三種襯底上的結(jié)晶效果由玻璃、毛玻璃、不銹鋼依次變壞。說明襯底的導(dǎo)電性和表面形貌都影響到了薄膜的

22、結(jié)晶狀況。圖4為不同襯底上沉積樣品的SEM形貌圖。圖4不同襯底的SEM圖象返回氫稀釋濃度(硅烷濃度) 用 PECVD 方法制備多晶硅薄膜。 如果利用純 SiH4氣體或低濃度 H2 稀釋的 SiH4 作為氣體源 那么在襯底上沉積形成的都是非晶硅薄膜。 如果增加 H2 的濃度Sc為 95% 99% 就可以制備多晶硅薄膜， 在Rmana散射譜中，可以通過比較波數(shù)為480 cm-1，(非晶硅特征峰)和520cm-1(晶體硅的特征峰)兩波峰的強(qiáng)度來判定硅膜樣品的晶化率。晶化率Xc可用下式表示:Xc=(I520+I510)/( I520+I510+I480) (4.1)其中I520+I510+I480分別

23、指對(duì)應(yīng)樣品的Raman光譜在480 cm-1、510 cm-1 和520 cm-1 處進(jìn)行Lorentzian分解后，三個(gè)波峰的相對(duì)積分強(qiáng)度。其中510 cm-1 處的波峰對(duì)應(yīng)介于晶體硅和非晶硅之間晶粒尺寸只有幾個(gè)nm的晶粒。硅薄膜的晶粒尺寸可由D=2（B/w）1/2 (4.2)估算,式中，w為Raman散射頻移(對(duì)于多晶硅薄膜的Raman散射譜，w為散射譜中晶態(tài)峰位與單晶硅峰位521.5 cm-1 之差); B為常數(shù)，取值為2.21nm2/cm。不同H2稀釋下測(cè)量的參數(shù)如表1SiH4中摻H2可以從幾個(gè)方面影響薄膜的晶化狀況。SiH4分解生成SiH3和SiH2等粒子, SiH3是薄膜的主要生長

24、粒子，而SiH2卻對(duì)薄膜的質(zhì)量有害因?yàn)镾iH2可以和SiH4進(jìn)行聚合反應(yīng)生成Si2H6, SiH2逐步和生成物反應(yīng)生成SinH2n+2，最終形成紅色粉末，掉落到薄膜表面。影響薄膜的晶化效果和均勻性。 表1 不同氫稀釋下樣品的性質(zhì)在形核期，H粒子對(duì)弱Si-Si進(jìn)行轟擊生成H-Si一復(fù)合懸鍵，并傳遞一定的能量使其重新組合成穩(wěn)固的鍵，使薄膜趨向規(guī)則的結(jié)晶狀態(tài)生長;這一過程被稱為H的刻蝕模型，如圖5所示。圖5 H的刻蝕作用而且，當(dāng)薄膜表面被H所覆蓋時(shí)，生長粒子SiH3的擴(kuò)散長度得到提高，便于其在規(guī)則的位置進(jìn)行生長如圖6所示，這種作用被稱為遷移模型。圖 6 H增強(qiáng)表面擴(kuò)散的作用H可以滲透到幾個(gè)分子層的厚

25、度，使這一區(qū)域變得松散，Si原子所受束縛變小，同時(shí)還吸收H傳遞的能量，活性大大增強(qiáng)，這種作用被稱為化學(xué)退火模型，如圖7所示。所有這些影響因素都使得高濃度H2稀釋促進(jìn)晶化率提高。圖 7 H的化學(xué)退火作用 但增加H2的含量在增強(qiáng)晶化的同時(shí)，大大減小了薄膜的沉積速率，如圖8所示。這可以解釋為H的刻蝕作用太強(qiáng)。圖 8 氫稀釋濃度和沉積速率的關(guān)系返回襯底溫度圖9 為玻璃和不銹鋼兩種襯底上在不同溫度下所沉積樣品的Raman散射譜。圖中顯示隨著溫度從200增加到400，520cm-1處的波峰逐漸代替480cm-1處波峰成為主導(dǎo)，表明樣品正逐漸由非晶向多晶轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到450時(shí)出現(xiàn)相反的變化。 圖9

26、不同溫度條件下制備樣品的Raman散射分別對(duì)其Raman譜分解由晶化率的計(jì)算公式(4一1)求得各個(gè)樣品的晶化率。按公式(4一2)由結(jié)晶峰的Raman偏移估算出樣品的晶粒大小。并測(cè)得玻璃襯底的暗電導(dǎo)率結(jié)果見表2表2 不同溫度下樣品的性質(zhì)沉積溫度過低，生長粒子SiH3具有較低的表面活性能，不容易擴(kuò)散找到能量最低的位置成鍵而結(jié)晶。但溫度的進(jìn)一步提高會(huì)使薄膜表面的H釋放，將降低生長粒子SiH3的擴(kuò)散能力。因此，溫度對(duì)薄膜結(jié)晶狀況的影響存在最優(yōu)值。返回反應(yīng)氣體壓強(qiáng) 圖10為射頻功率 300 W、 總氣體流量 300 sccm、硅烷濃度1 %、襯底溫度 200 條件下 ,沉積速率和晶化率隨沉積氣壓的變化曲線 ,由圖可見 ,開始時(shí)沉積速率隨著沉積氣壓增加而增大 ,當(dāng)沉積氣壓為6.67 102Pa 時(shí) ,沉積速率達(dá)到最大 ,此后隨著氣壓增大而略有下降。 沉積速率的變化趨勢(shì)是硅烷分壓與電子溫度兩種因素相競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果 ,硅烷分壓的上升使成膜基團(tuán)的產(chǎn)生率升高 ,而電子溫度的下降則使成膜基團(tuán)的產(chǎn)生率降