VHF-PECVD法制備微晶硅薄膜生長過程的模擬和實(shí)驗(yàn).pdf

1、相較于非晶硅(a-Si∶H)薄膜，氫化微晶硅(μc-Si∶H)薄膜由于良好的長波響應(yīng)特性，高的載流子遷移率和高的光電穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在硅基薄膜太陽能電池中得到了廣泛運(yùn)用。同時，甚高頻等離子加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(VHF-PECVD)法成為制備μc-Si∶H薄膜的主流方法。而微晶硅薄膜生長機(jī)理的研究在薄膜的制備過程中對調(diào)控微結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電池性能等方面具有重要的指導(dǎo)作用。本文采用Comsol中的等離子模塊和Chemkin中的AUROR模塊相結(jié)合的方法

2、，對H2、SiH4混合氣體的等離子體特性、氣相反應(yīng)和表面生長過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了沉積參數(shù)對μc-Si∶H薄膜沉積速率和結(jié)構(gòu)特性的影響。首先，通過一維的放電模型，獲得電子溫度（Te）和電子濃度(ne）等等離子體特征參數(shù)。然后，將這些參數(shù)帶入氣相和表面反應(yīng)模型，得到各種粒子的氣相濃度和薄膜的生長特性。反應(yīng)過程共涉及42個氣相反應(yīng)和43個表面反應(yīng)。同時，利用光發(fā)射譜(OES)對實(shí)驗(yàn)過程中等離子輝光特性進(jìn)行了在線檢測，并制備了實(shí)驗(yàn)樣品，以

3、于模擬結(jié)果進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好的吻合，且主要結(jié)論如下:
　　 (1)隨著功率的增加，等離子體中Te和ne增大，使氣相基團(tuán)SiH3、SiH2和H原子的濃度(nSiH3，nSiH2，nH)增大，nSiH3/nH減小;隨著氣壓的增加，Te直線下降，ne先增后減，nSiH3增加并逐步飽和，nSiH3/nH降低;隨著頻率的增加，Te減小，ne增加，nSiH3、nSiH2、nH增加，nSiH3/nH減小;隨著硅烷濃度的增加

4、，nSiH3增加，nSiH3/nH降低。
　　 (2)低壓、低硅烷濃度時，SiH3為主要的沉積前驅(qū)基團(tuán)。隨著氣壓和硅烷含量的增加，粒子在沉積室內(nèi)的滯留時間增加，濃度增大，使得高硅基團(tuán)的濃度積聚增加，造成薄膜沉積速率的額外增大。當(dāng)功率過高時，離子的轟擊作用導(dǎo)致薄膜的沉積速率降低。同時，等離子體特征參數(shù)不管取自硅烷、氫氣混合氣體還是純氫氣放電，對模擬結(jié)果都能很好的和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，說明可用純氫氣等離子放電來簡化模型。
　　 (

5、3)薄膜的晶化率(Xc)取決于氣相中nSiH3/nH比值的大小。隨著nSiH3/nH的減小，薄膜中的氫含量(CH)減小，Xc升高。薄膜的生長取向和各晶向的晶粒尺寸主要取決于其相對生長速率。沉積溫度的增加，沉積前驅(qū)基團(tuán)的表面擴(kuò)散增強(qiáng)、表面懸鍵比例增加，有助于<110>晶向的生長。當(dāng)沉積前驅(qū)基團(tuán)濃度較低時，表面生長呈現(xiàn)氣相擴(kuò)散限制，前驅(qū)基團(tuán)濃度的增加有利于<111>面的生長和晶粒尺寸的增大;當(dāng)基團(tuán)濃度較高時，生長向表面反應(yīng)限制轉(zhuǎn)變。這時，等