非晶硅沉积的几种方法
非晶材料的制备与控制
非晶材料的制备与控制非晶材料是指没有长程有序结构的材料，其结构非常复杂，特点是具有高度的均质性、高密度、高强度、高硬度、高熔点等优良性质，因此被广泛应用于电子、光电、机械、航空等领域，成为现代工业发展的重要材料之一。
非晶材料制备的方法很多，主要包括物理和化学两个方面。
下面将分别介绍这两个方面的制备方法和相应的控制技术。
一、物理制备方法1. 快速凝固法快速凝固法是通过快速冷却来制备非晶材料。
主要有玻璃淬火法、飞行时间法、溅射法、纳米线法等多种方法。
其中，玻璃淬火法是最早应用的制备方法，其具有制备成本低、制备时间短、适用性广等优点。
快速凝固法的优点是样品制备周期短，制备成本低。
但同时也存在一些问题，如玻璃淬火法需要用到大量的淬火剂，会造成对环境的污染。
2. 溶液淬火法溶液淬火法是利用一种溶剂来制备非晶材料。
主要有水热法、微乳液法、溶胶凝胶法等多种方法。
其中，水热法是最简单、最常用的制备方法。
溶液淬火法的优点是样品制备过程较为简单，制备环境友好，但其也存在一些问题，如对制备溶液组成、溶剂类型等要求较高。
3. 气相淀积法气相淀积法是通过气相化学反应来制备非晶材料，主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法等多种方法。
其中，物理气相沉积法是最广泛应用的制备方法。
气相淀积法的优点是可以制备高质量、高纯度的非晶材料，但同时也存在一些问题，如气相淀积过程中需要高温和高压条件下进行，对设备的要求较高，制备成本也相应较高。
二、化学制备方法1. 溶剂热合成法溶剂热合成法是通过在高温下使原料在溶剂中反应而形成非晶材料，主要有水热法、溶剂热法等多种方法。
其中，水热法成本最低、适用性最广。
溶剂热合成法的优点是可以控制反应条件和反应时长来控制非晶材料的形成和性能，但同时也存在一些问题，如对反应温度和反应气氛等要求较高。
2. 软模板合成法软模板合成法是通过某种化学方法将一些有机分子（称为软模板）结合在一起，形成一个“模板”，而后再通过其他化学方法来制备非晶材料，主要有胶体晶体法、热分解法、模板导向法等多种方法。
硅材料的分类
硅材料的分类硅材料是一种重要的材料，在现代工业中广泛应用。
根据其性质和用途的不同，硅材料可以分为多个分类。
本文将从晶体硅、非晶硅和有机硅三个方面介绍硅材料的分类。
一、晶体硅晶体硅是指具有高度有序的晶体结构的硅材料。
它具有优良的电特性和光学特性，因此广泛应用于半导体领域。
晶体硅可以通过单晶生长和多晶生长两种方法制备。
单晶生长是通过将硅溶液或熔体冷却，使硅原子有序排列而形成单晶。
而多晶生长则是通过在硅熔体中掺入少量的控制剂，使硅晶体在生长过程中形成多晶结构。
晶体硅的晶格结构具有优良的导电性和光学透明性，因此被广泛应用于半导体器件、太阳能电池等领域。
二、非晶硅非晶硅是指没有规则晶体结构的硅材料，其结构类似于液体。
非晶硅的制备方法主要有物理气相沉积和化学气相沉积两种。
物理气相沉积是通过将硅原料加热至高温，使其气化并沉积在基底上形成非晶硅薄膜。
化学气相沉积则是通过在反应气氛中加入硅源和反应气体，并在基底表面化学反应生成非晶硅。
非晶硅因其无规则的结构，具有较高的抗辐照性和较低的导电性，常用于薄膜太阳能电池、液晶显示器等领域。
三、有机硅有机硅是指硅原子与碳原子通过共价键结合形成的化合物。
有机硅材料具有优异的耐热性、耐寒性、耐腐蚀性和机械强度，因此广泛应用于橡胶、涂料、塑料、胶粘剂等领域。
有机硅材料的制备方法主要有两种：一种是通过直接合成有机硅化合物，例如通过将硅烷与有机化合物反应生成有机硅化合物。
另一种是通过硅烷的氧化反应制备有机硅材料，例如通过将硅烷与氧气反应生成SiO2，然后通过化学反应将SiO2还原为有机硅化合物。
硅材料可以分为晶体硅、非晶硅和有机硅三个分类。
晶体硅具有有序的晶体结构，广泛应用于半导体领域；非晶硅没有规则的晶体结构，常用于薄膜太阳能电池等领域；有机硅是硅原子与碳原子形成的化合物，具有优异的性能，在橡胶、涂料、塑料等领域有广泛应用。
通过对硅材料的分类了解，可以更好地理解其性质和用途，并为相关领域的应用提供基础支持。
第九章---非晶硅薄膜
第一个非晶硅太阳电池被研制出（效率：2.4%）；随后其效率
增长到4%。
1980年非晶硅太阳电池实现商品化。日本三洋电气公司利
用非晶硅太阳电池率先制成计算器电源，并实现工业化生
产。
当前，非晶硅薄膜电池已发展成为实用廉价的太阳电池品 种之一，具有相当的工业规模。目前世界非晶硅太阳电池 生产600MW/年以上，效率7-8%，应用范围从多种电子消费 产品如手表、计算器、玩具到户用电源、光伏电站。
构等都有重要影响。
氢在非晶硅中会形成Si—H键，以SiH、SiH2、SiH3及 (SiH2)n等集团。这些集团可用红外光谱去检测：
氢的态密度：指单位能量中不同氢键的数目。
氢在非晶硅中的正面作用：补偿悬挂键和改变带隙
改变带隙：随着非晶硅中氢含量的增加，其带隙宽度从1.5eV
开始逐渐增宽致1.7eV,其悬挂键缺陷密度为1015-1016cm-3.
氢在非晶硅中的负面作用，氢在非晶硅中生成光致亚稳缺陷，
形成S-W效应。
S-W效应：在长期光照下，其光电导和暗电导同时下降，然后 才保持稳定，其中暗电导可以下降几个数量级，从而导致非晶 硅太阳能电池的光电转换效率降低，经150-200度短时间热处 理，其性能可恢复。
制备条件：辉光放电制备的
非晶硅薄膜，衬底温度为
由于辉光放电，因此会再两电极间形成辉光区。当垫子从印记发射时， 能量很小，只有1eV左右，不能和气体分子作用，在电场的作用下， 垫子逐渐具有了更高的能量，可以和气体分子作用，使气体分子激发 发光，形成辉光。
辉光放电过程中，等离子体的温度，电子的温度和浓度是重
要的因素，其中电子的温度最为关键。虽然反应气体的温度
二 非晶,微晶太阳能技术基础
非晶﹑微晶Si 太阳能电池技术一.Deposition of amorphous and microcrystalline silicon目前沉积非晶与微晶硅的方法主要有PECVD, Hot-wire CVD,ECR,MWCVD,PBD(plasma beam deposition)等。
这些方法都是以SiH 4﹑H 2为原料气，在一定的能量下，SiH 4分解，产生Si 的生长基团，H 一方面刻蚀非Si 生长基团，另一方面结合进入Si 网络内，与未成对的共价电子连接，减少电子缺陷态。
通过掺杂，可以得到p 型或n 型Si 。
表1为各沉积技术的比较表1.沉积a-Si:H 的各技术的参数比较 参数 PECVD （13.56MHz ）VHFCVD (60-80MHz)ECRCVD HWCVD PBD电子浓度n e (cm -3) 1095-10×10910110-10111011离化率 10-510-410-20 10-3电极电压（V ） 40-50 5-15 0.2 0 2 沉积速率（Å/s ） 2 20 25 20 100 沉积压力(mbar) 0.5 0.2 10-3 10-2 0.2 Ar 流量(sccm) 3000 H2流量(sccm) 20 300 SiH4流量(sccm) 20 20 20 60 600 功率（W ） 4 4 300 240 5000 典型样品尺寸(cm 2) 100 100 25 60 25 典型沉积温度(℃) 250 200 200 350 4501.PECVD该技术也称为电弧放电技术，通常以SiH 4为反应气体，通过在两平行电极板间加上DC 或射频电压使气体放电。
根据真空室的形状，反应压力在0.1-1mba 之间。
沉积过程可以分为以下四步:(1)电子与反应气体碰撞，使反应气体分子分解﹑离化；等离子体中含有中性基团﹑分子﹑正负离子及电子。
(2)分子与离子﹑基团之间的反应，中性基团通过扩散到达基底表面，正离子轰击生长表面， 离子被腔壁俘获并产生小的颗粒或灰尘。
常压cvd淀积非晶硅薄膜的研究
常压cvd淀积非晶硅薄膜的研究常压化学气相沉积（CVD）是一种常用的制备非晶硅（a-Si）薄膜的方法。
这种方法利用化学反应在常压下通过气态前体物质的热分解或氧化还原反应，使前体物质沉积在衬底表面上形成薄膜。
常压CVD制备非晶硅薄膜的过程通常包括以下步骤：1. 衬底准备：选择合适的衬底材料，如玻璃、金属或聚合物，然后经过清洗和处理，以确保表面平整和无杂质。
2. 前体物质供应：选择适当的气态前体物质，如硅烷（SiH4）或三氯化硅（SiCl3），然后通过气体供应系统将前体物质输送到反应室中。
3. 反应室环境控制：控制反应室中的温度、压力和气体流量，以确保适当的反应条件和前体物质的热分解或氧化还原反应发生。
4. 薄膜沉积：在适当的反应条件下，前体物质分解或反应生成非晶硅的气态物质，并在衬底表面上沉积形成非晶硅薄膜。
5. 后处理：通过热处理或化学处理等方法，进一步改善非晶硅薄膜的性质和结构。
常压CVD制备非晶硅薄膜的研究主要围绕以下方面展开：1. 反应条件优化：研究合适的反应温度、压力和气体流量，以及前体物质的浓度和输送方式，以提高薄膜的沉积速率和质量。
2. 薄膜性质表征：通过光学、电子和结构分析方法，研究非晶硅薄膜的光学、电学、热学和结构等性质，并评估其在光电子器件等应用中的适用性。
3. 薄膜结构调控：通过调整反应条件、添加掺杂元素或采用多组分混合气体，研究改变非晶硅薄膜微观结构和成分，以提高其性能和稳定性。
4. 应用研究：将非晶硅薄膜应用于太阳能电池、薄膜晶体管、液晶显示器等光电子器件中，并优化工艺和结构，以提高器件性能和稳定性。
5. 低温CVD：研究低温条件下非晶硅薄膜的制备方法，以适应一些对衬底材料有温度要求、或需要与其他材料复合的应用。
总之，常压CVD淀积非晶硅薄膜的研究旨在优化制备工艺、改善薄膜性质和结构，以及应用于光电子器件等领域。
非晶的形成工艺
非晶体是一种无序结构的固态材料，其形成工艺通常包括以下方法：
1.快速冷却：通过快速冷却液态物质可以促使非晶态的形成。
在快速冷却过程中，原子或
分子没有足够时间排列成有序结构，从而形成非晶态。
2.沉淀法：某些物质在溶液中沉淀时，由于沉淀速度很快，原子无法充分排列成有序结构，
因此形成非晶态。
3.离子注入：通过在材料表面或内部注入外部离子，可以破坏材料原有的晶体结构，导致
非晶态的形成。
4.薄膜沉积：在薄膜沉积过程中，原子或分子在表面快速凝聚，形成非晶态薄膜。
5.高压处理：在高压条件下，原子之间的距离变小，有序结构难以形成，从而促使非晶态
的形成。
这些是常见的非晶体形成工艺方法，具体应用于不同材料和工艺的条件可能有所不同。
非晶态材料由于其特殊的结构和性质，在电子、光学、磁性等领域具有重要应用价值。
微观结构非晶硅微观结构
微观结构非晶硅微观结构非晶硅是一种非晶态结构的硅材料，其微观结构与晶体硅存在明显区别。
本文将从非晶硅的制备方法、特点、应用以及相关研究进展等方面进行阐述。
非晶硅的制备方法主要有物理气相沉积法、磁控溅射法、溶胶-凝胶法、等离子体增强化学气相沉积法等。
其中，物理气相沉积法是一种常用的制备非晶硅薄膜的方法。
该方法利用高纯度硅源和氢气等气体，在真空条件下，经过一系列的处理，使硅原子在基底上沉积形成非晶硅薄膜。
磁控溅射法则是利用高能离子轰击的方式，将固态硅靶溅射到基底上，形成非晶硅薄膜。
溶胶-凝胶法是将预先制备好的溶胶涂覆在基底上，经过凝胶化和热处理等步骤，形成非晶硅薄膜。
等离子体增强化学气相沉积法是在气相沉积法的基础上加入了等离子体激发，提高了非晶硅薄膜的质量。
非晶硅的微观结构与晶体硅存在明显差异。
晶体硅的微观结构呈现周期性的排列，具有长程有序性，而非晶硅则是无序排列的，缺乏长程有序性。
非晶硅的微观结构可以看作是由无规则排列的硅原子构成的网络结构，硅原子之间的键长和键角都没有固定的数值。
非晶硅的这种无序排列导致了其物理性质的特殊性。
非晶硅具有一系列独特的特点。
首先，非晶硅在光学上呈现出较高的透明性，使其在太阳能电池、平板显示器等领域得到广泛应用。
其次，非晶硅具有较高的电阻率和较低的载流子迁移率，这使得非晶硅在薄膜晶体管、光电器件等领域有独特的应用。
此外，非晶硅还具有较高的化学稳定性和较低的机械应力等特点，使其在传感器、薄膜材料等方面有广泛的应用前景。
非晶硅的研究也取得了一系列进展。
近年来，随着纳米技术的发展，研究人员将非晶硅与纳米材料相结合，制备出非晶硅纳米复合材料，展现出了更多的应用潜力。
此外，研究人员还通过控制非晶硅的制备工艺，调控非晶硅的微观结构和物理性质，以期进一步提高其性能。
同时，非晶硅的制备方法也在不断优化，为非晶硅的大规模制备提供了更多可能。
非晶硅是一种具有无序排列的微观结构的硅材料。
其制备方法多样，特点独特，应用广泛。
非晶硅沉积的几种方法
制备氢化非晶硅薄膜的主要方法有：物理气相沉积法（PVD），化学气相沉积法（CVD）。
而其中PVD法基本上指溅射法，CVD法有热丝化学气相沉积法（HW-CVD）、微波等离子电子回旋共振化学气相沉积法（MWECR-CVD）、等离子增强化学气相沉积法（PECVD）等。
(1)溅射法(Sputtering Deposition)作为物理气相沉积(PVD)之中的重要方法溅射法也被用来制备非晶硅薄膜。
溅射法是使用某种高能电源如射频电源，离子束电源或者射频磁控电源，对气体进行电离，气体放电时生成的高能粒子(如正离子或原子)轰击固体靶材材料，将能量传递给靶材材料时，激发了处于稳定状态的原子，得到逸出的原子与等离子体中的原子、离子等，在磁场、电场的控制下，沉积在衬底上形成薄膜。
溅射法具有许多优点，如可以制备多组分薄膜，并且有效保证各化学元素的比例，能够实现高熔点材料的溅射。
但是，在实际生产过程中，使用该方法制备的a-Si薄膜缺陷多导致质量差，同时也不容易实现掺杂效应。
(2)热丝化学气相沉积(Hot-wired CVD)在该方法中，沉积气体首先被加热到上千度的热丝所分解，然后在没有等离子体参与的情况下在低温衬底上沉积薄膜。
与PECVD相比，HWCVD的沉积不需要等离子体，是依靠分解硅烷来实现的。
而且从热丝发射的电子能量很低，不存在PECVD中离子轰击，对沉积薄膜表面作用较小，有利于优质非晶硅薄膜的高速生长[32]。
但是该方法需要较高的沉积温度，能源消耗较大，不利于生产成本的降低。
在刚性衬底上制备薄膜的时候，衬底热膨胀系数差大，薄膜内应力很大，膜基结合力很差，容易崩膜。
(3)微波等离子电子回旋共振化学气相沉积法(MWECR CVD)电子回旋共振放电是当今应用物理领域内低气压、低温放电方面一个很重要的最新发展方向。
反应气体被微波能量激发电离分解，产生等离子体，当等离子体频率与电磁波频率满足一定要求时，电子会发生回旋共振等离子体能量进一步增加，并通过磁场控制高能粒子沉积在衬底上形成薄膜。
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制备氢化非晶硅薄膜的主要方法有：物理气相沉积法（PVD），化学气相沉积法（CVD）。
而其中PVD法基本上指溅射法，CVD法有热丝化学气相沉积法（HW-CVD）、微波等离子电子回旋共振化学气相沉积法（MWECR-CVD）、等离子增强
化学气相沉积法（PECVD）等。
(1)溅射法(Sputtering Deposition)
作为物理气相沉积(PVD)之中的重要方法溅射法也被用来制备非晶硅薄膜。
溅射法是使用某种高能电源如射频电源，离子束电源或者射频磁控电源，对气体进
行电离，气体放电时生成的高能粒子(如正离子或原子)轰击固体靶材材料，将
能量传递给靶材材料时，激发了处于稳定状态的原子，得到逸出的原子与等离
子体中的原子、离子等，在磁场、电场的控制下，沉积在衬底上形成薄膜。
溅
射法具有许多优点，如可以制备多组分薄膜，并且有效保证各化学元素的比例，能够实现高熔点材料的溅射。
但是，在实际生产过程中，使用该方法制备的a-
Si薄膜缺陷多导致质量差，同时也不容易实现掺杂效应。
(2)热丝化学气相沉积(Hot-wired CVD)
在该方法中，沉积气体首先被加热到上千度的热丝所分解，然后在没有等离子
体参与的情况下在低温衬底上沉积薄膜。
与PECVD相比，HWCVD的沉积不需要
等离子体，是依靠分解硅烷来实现的。
而且从热丝发射的电子能量很低，不存
在PECVD中离子轰击，对沉积薄膜表面作用较小，有利于优质非晶硅薄膜的高
速生长[32]。
但是该方法需要较高的沉积温度，能源消耗较大，不利于生产成
本的降低。
在刚性衬底上制备薄膜的时候，衬底热膨胀系数差大，薄膜内应力
很大，膜基结合力很差，容易崩膜。
(3)微波等离子电子回旋共振化学气相沉积法(MWECR CVD)
电子回旋共振放电是当今应用物理领域内低气压、低温放电方面一个很重要的
最新发展方向。
反应气体被微波能量激发电离分解，产生等离子体，当等离子
体频率与电磁波频率满足一定要求时，电子会发生回旋共振等离子体能量进一步增加，并通过磁场控制高能粒子沉积在衬底上形成薄膜。
MWECR- CVD法具有以下特点[33]：微波能量转化效率高、制备工艺温度低、腔内运行气压低、反应气体高度分解；在工作腔内，因为不需要引入电极，从而减少了杂质的污染，提高了反应气体的稳定性。
但是MWECR- CVD法也设备构造复杂、可重复性差、不可控因素多导致其在半导体工业生产领域还没有实现大量推广。
(4)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)
等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)产生等离子体的过程为反应提供所需的大量能量是其区别于其它CVD法的显著特点。
当等离子体化学气相沉积制备薄膜时，反应气体电离产生大量的高温等离子体，为沉积过程提供热量，不用消耗来自外界的能量，从而显著降低了沉积反应温度，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温实现，降低了能源消耗，有利于生产成本的降低，因此该方法适应了当前技术向低温工艺发展的趋势，必将引起更多的关注。
薄膜光敏性高、隙态密度低、且没有尺寸限制是PECVD方法制备a-Si:H薄膜的三个重要优点。
加之PECVD的低温工艺使得对制备薄膜时衬底要求不高，大大扩大了该方法的使用范围。