VHF-PECVD沉积非晶硅材料的研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究氮化硅薄膜（PECVD）是一种在室温下生长的非晶硅薄膜，具有多种优良性质，如硬度高、抗腐蚀性好、导电性能低等。
这些性质使得氮化硅薄膜在微电子、光学器件、生物传感器等领域中有广泛应用。
本文将对PECVD氮化硅薄膜的性质及工艺进行研究。
首先，PECVD氮化硅薄膜具有良好的机械性能。
该薄膜的硬度可达到10GPa，相对于其他常见的薄膜材料，如二氧化硅、氮化硅具有更高的硬度。
这使其在微机械系统中有较好的应用前景，如传感器和微机械器件中的表面保护层。
其次，PECVD氮化硅薄膜具有出色的耐腐蚀性。
与其他材料相比，这种薄膜展现出更好的抗化学腐蚀性能。
这种耐腐蚀性使得氮化硅薄膜在微电子行业中的设备制造过程中有广泛的应用，如平板显示器、太阳能电池等。
此外，PECVD氮化硅薄膜是一种特殊的绝缘材料，具有较低的导电性能。
这种特点使其成为一种理想的衬底材料，可用于制备电容器、晶体管等微电子器件。
它还可用于光学薄膜的辅助材料，如光学反射镜片等。
针对PECVD氮化硅薄膜的制备工艺，一般采用射频等离子体化学气相沉积（RFPECVD）技术。
该方法通过在气相中加入硅源、氨气和稀释剂，利用射频电场激活气体原子和离子，在衬底表面沉积出氮化硅薄膜。
制备过程中，关键的参数包括沉积温度、沉积气压、沉积物与气体流量比等。
沉积温度一般在250℃-400℃之间，气压一般在1-20Torr之间。
较高的沉积温度可提高薄膜质量，但也容易产生杂质。
而较高的气压可以提高沉积速率，但也有可能导致薄膜内部应力增大。
此外，对PECVD氮化硅薄膜进行表征，一般采用横截面和表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）、厚度的椭圆仪、成分的能量散射光谱（EDS）等技术。
这些表征方法可以从多个角度对氮化硅薄膜的性质进行评估。
总结起来，PECVD氮化硅薄膜具有优异的硬度、耐腐蚀性和绝缘性能等优良性质，广泛应用于微电子、光学器件等领域。
沉积工艺中的温度、气压和气体流量比等参数对薄膜质量具有重要影响，需要合理选择和控制。
PECVD 法制备氢化非晶硅薄膜材料
PECVD 法制备氢化非晶硅薄膜材料黄仕华;董晶;沈佳露;刘剑【摘要】采用等离子增强化学气象沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）法在普通玻璃上沉积非晶硅薄膜材料.通过控制变量分别研究了 p，n 层的掺杂浓度、氢稀释度及 i 层的反应气压对薄膜材料性能的影响.结果表明：p 层材料在掺杂浓度为6.67%、氢稀释度为10.6时有较高的暗电导率和较低的沉积速率；n 层材料在掺杂浓度为3.33%、氢稀释度为8.3时有较高的暗电导率和较低的沉积速率；i 层材料在反应气压为95 Pa、氢稀释度为15时有较高的光暗电导率之比.%The amorphous silicon thin film was deposited on glass by using plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD)method. The influence of doping concentration and hydrogen dilution on thin film prop-erty,and the influence of reaction pressure on the i-layer property were investigated. The results indicated that the p-layer had a higher dark-conductivity and a lower deposition rate when the doping concentration and the hydrogen dilution were about 6. 67% and 10. 6,respectively. The n-layer had a higher dark-conductivity and a lower deposition rate when the doping concentration and the hydrogen dilution were about 3. 33% and 8. 3, respectively. Also the i-layer thin film had a higher photoconductivity and a dark-conductivity ratio when the reaction pressure and the hydrogen dilution were about 95 Pa and 15,respectively.【期刊名称】《浙江师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5页(P121-125)【关键词】PECVD;非晶硅薄膜;掺杂;氢稀释度;电导率【作者】黄仕华;董晶;沈佳露;刘剑【作者单位】浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004;浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004;浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004;浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004【正文语种】中文【中图分类】O4750 引言非晶硅薄膜太阳能电池制作工艺简单，衬底温度低，耗材少，能沉积在廉价的衬底上，故制备成本较低；能容易地应用于集成工艺和大面积生产，可进一步降低成本；也能容易地与建筑材料相结合，构成光伏建筑一体化系统.因此，非晶硅薄膜太阳能电池是一种很有发展前景的电池，得到了广泛的研究[1].由于非晶硅(a-Si)半导体材料最基本的特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子之间的键合类似晶体硅，形成了一种共价无规则网络结构，它含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等，因此,载流子迁移率低、扩散长度小、寿命短，所以,这种材料不适合直接做成半导体器件.为了降低非晶硅中的缺陷态密度，使之成为有用的光电器件，人们发现,通过对其氢化处理后,非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿，形成硅氢键，降低了态隙密度.1976年,研究人员成功实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂，实现了a-Si-p-n结的制作[2].多种不同的技术用于a-Si∶H薄膜及其器件的制备，其中最为普遍的是在低于500 K的温度下，采用硅烷作为反应气体的PECVD技术.由于a-Si∶H薄膜的光学和电学性质及其相关的器件特性强烈地依赖于制备方法和制备条件，所以在制备太阳能电池前，必须寻求合适的薄膜材料沉积工艺.工艺参数如衬底温度、射频功率、反应气压、反应气体流量、气体配比(氢稀释度、掺杂浓度)等[3]，都是重要的影响因素.目前对薄膜材料的沉积工艺缺少系统详尽的论述，本文在借鉴已有的生产工艺参数的基础上，研究了掺杂浓度、氢稀释度对p,n层薄膜材料性质的影响及反应压强对i层薄膜材料性质的影响.从沉积工艺角度对改善各层薄膜材料提出了参考性建议，这对提高非晶硅薄膜太阳能电池的性能有着实际意义.1 实验方法1.1 薄膜的制备实验使用的是PECVD 4000型(等离子体增强化学气相沉积)设备.以SiO2石英玻片为基板，先用洗洁剂反复擦洗，然后依次用去离子水、丙酮和无水乙醇各超声20 min,最后用普通氮气吹干后分别装入n室、i室和p室进行薄膜生长.具体工艺步骤和参数：电极间距为16.5 mm，本底真空度为4×104 Pa，衬底温度为200 ℃，射频功率为50 W，反应气压为90～125 Pa，气体总流量为28～60mL/min，反应时间为40 min.1.2 薄膜的测试薄膜材料的光电导率测量是在1 000 W/m2的光照条件下，采用真空蒸铝的共面电极结构，两铝电极间距为1 mm，铝极长度为1 cm，通过使用Keithley 2601精密源表在两铝电极之间施加一定的直流电压，然后测试出其光电流，相应的电导率可用典型的电导公式求出：(1)式(1)中:U为两共面电极之间的电压;w为电极间距;L为电极长度;d为薄膜厚度;I为测量的电流强度.薄膜材料的暗电导率与光电导率的测量方法一样，只是在无光的条件下(黑盒子)进行暗电流测试.薄膜材料的拉曼光谱测试采用英国Renishaw公司生产的RM 1000型显微共焦激光拉曼光谱仪，采用514.5 nm的氩离子激发源.2 结果与分析2.1 p,n层的作用p型材料是用辉光放电法分解SiH4和B2H6的混合气体并用高纯的H2稀释沉积而成.n型材料是用辉光放电法分解SiH4和PH3的混合气体并用高纯的H2稀释沉积而成.p,n层作为电池内建电场产生的来源，对p-i-n单结太阳能电池的性能有着重要的影响.它们决定电池的开路电压，并且影响i层光生载流子的收集，从而直接影响电池的填充因子和转换效率.作为掺杂层，要求p,n层有较高的电导率，以减小串联电阻.不仅如此，p层材料还要有高的光学带隙，以允许更多的太阳光透过它进入i层有源层.p,n层材料的导电特性主要受掺杂浓度、氢稀释度的影响.本节研究了在其他沉积工艺不变的情况下，p层硼烷的掺杂浓度((wB2H6/wSiH4)%)α,n层磷烷掺杂浓度((wPH3/wSiH4)%)β和氢稀释度((wH2/wSiH4)%)γ对它们的暗电导率、沉积速率等材料性能的影响，以选择适合p-i-n单结a-Si∶H薄膜太阳能电池制备的工艺.2.1.1 掺杂浓度对p和n层暗电导率的影响图1和图2是控制氢稀释度γ为定值时,不同掺杂浓度对p,n层薄膜材料电导率的影响(σphoto表示光电导率,σdark表示暗电导率).如图1、图2所示，p,n层薄膜材料的电导率都随着掺杂浓度的增大先增大后减小.这种现象可以解释为掺杂层具有较高的缺陷态密度，掺杂浓度过大会引起材料缺陷态密度的增加，自由载流子密度降低，以致电导率下降[4].同种薄膜材料的光电导率明显高于暗电导率，这是由于薄膜在光照下产生光生载流子导致电导率增大.微观机理解释如下：在热平衡状态下，半导体材料的电导率可表示为σ=nqμn+pqμp(2)式(2)中：n,p分别为平衡电子和空穴的浓度;μn,μp分别为平衡电子和空穴的迁移率，基本保持不变.有光照时，半导体材料的电导率增大，此时，电导率为σ=(n+Δn)qμn+(p+Δp)qμp.(3)Δn,Δp分别为非平衡电子和空穴的浓度，Δn =Δp引起的附加电导率为Δσ=Δnqμn+Δpqμp=Δpq(μn+μp).(4)所以同种半导体材料的光电导率大于暗电导率.图1 p层的电导率随掺杂浓度α的变化图2 n层的电导率随掺杂浓度β的变化2.1.2 氢稀释度对p和n层暗电导率的影响图3和图4是控制氢稀释度γ为定值时,不同的掺杂浓度对p,n层薄膜材料沉积速率的影响.如图3所示，随着掺杂浓度的逐渐增大，p层的沉积速率先减小后增加.当掺杂浓度为6.67%时，p层的沉积速率最小，达到0.271 nm·s-1.研究表明沉积速率较低时，粒子在成膜过程中更容易到达自由能较低的位置，薄膜的致密性较好，缺陷较少，所以当前条件下,掺杂浓度为6.67%的工艺为电池p层的理想掺杂工艺.图4显示在掺杂浓度为3.33%时，n层的沉积速率最小，达到0.170 nm·s-1.总体上讲，掺杂浓度对n层的沉积速率影响不大.图3 p层的沉积速率随掺杂浓度α的变化关系图4 n层的沉积速率随掺杂浓度β的变化关系2.1.3 掺杂浓度对p和n层沉积速率的影响图5和图6是控制掺杂浓度α,β为定值时,不同的氢稀释度γ对p,n层薄膜材料电导率的影响.如图5所示，随着氢稀释度γ的增加，薄膜材料的电导率均先增大后减小.这种现象可解释为当氢稀释度过低时，原子氢对薄膜的刻蚀作用较弱，导致薄膜含较多的缺陷，电导率降低；当氢稀释度过大时，缺陷密度虽减少，但薄膜的晶化率过高，电导率同样下降[5]；氢稀释度在合适值时，既可以减少薄膜缺陷，又使薄膜从非晶硅趋向于微晶硅，薄膜材料导电性能增O加.图5 p层的电导率随氢稀释度γ的变化关系图6 n层的电导率随氢稀释度γ的变化关系2.2 i层的重要性i层材料是用辉光放电法分解以高纯H2稀释的SiH4沉积而成.i层是电池的核心部分,是光生载流子的产生区.该区的厚度是否合适，将直接影响电池的性能参数.在一般情况下，i层厚度为400～700 nm比较合适，高质量的i层需要有较高的光暗电导率之比、较低的禁带宽度.光电导率越大而暗电导率越小，表明薄膜光敏性越好，能产生更多的光生载流子，电池的短路电流增大；禁带宽度越低，表明电池能吸收的太阳光谱的波长范围越宽，对太阳光谱能的利用率越高[6].要提高太阳能的转换效率和稳定性，i层必须有高的光生载流子产出率、低缺陷态密度和合适的厚度[5].所以采用合适的工艺条件，沉积出高质量的非晶硅层，对提高电池的转换率有很大意义.2.2.1 反应气压对i层材料的影响用辉光放电法制备本征层的过程中，反应气压是影响薄膜质量的一个重要因素.一般情况下，反应气压应处于帕邢曲线的最小值附近，有利于高质量的薄膜生长[7].通过控制变量法，气体流量分别为40，45，52和60 mL/min，对应的反应气压分别为95，105，115和125 Pa，研究不同的反应气压对i层材料的光暗电导率之比、沉积速率的影响.图7 i层反应气压与光暗电导率之比σ*的关系图8 i层反应气压与沉积速率v的关系图7显示随着反应气压的增大，i层的光暗电导率之比逐渐减小，在95 Pa时达到最大值2.46×102.这种现象可解释为反应气压增大，气体对薄膜的轰击增强，容易对薄膜造成损伤，导致薄膜的缺陷增加，光暗电导率比值下降.图8显示，随着反应气压的增大，i层的沉积速率逐渐减小，表明气体流量过大会减弱薄膜的沉积速率，在95 Pa时达到最大值0.245 nm·s-1.以上研究表明:小流量下制备的本征层质量较好，流量小对应的反应气压较小，等离子体中粒子的平均自由程较大，动能也较大，在成膜过程中容易找到稳定的成键位置或破坏松散的键结构以形成更稳定的结构[7].2.2.2 不同氢稀释度γ下i层薄膜的拉曼光谱图9(a)显示薄膜的拉曼光谱图在靠近480 cm-1处出现吸收峰，表明该材料为非晶硅材料；当增大氢稀释度，薄膜朝晶化方向转化，图9(b)显示薄膜的拉曼光谱图在靠近520 cm-1处出现吸收峰，表明该层出现微晶.由此可知，制备i层时应适量减小氢稀释度.(a)氢稀释度γ=9 (b)氢稀释度γ=28图9 i层薄膜的拉曼光谱图3 总结通过控制变量分别研究了p,n层的掺杂浓度、氢稀释度以及i层的反应气压对薄膜材料性能的影响.p,n层薄膜的掺杂浓度不宜过高，掺杂浓度过高电导率反而下降，原因在于薄膜中会引入更多的缺陷，导致自由载流子密度降低；氢的刻蚀作用使得p,n层薄膜中的弱Si-Si键、微空洞等缺陷减少，从而使膜质均匀稳定.但刻蚀作用过强，会导致薄膜的晶化率过高，导电性下降.i层材料在反应气压为95 Pa、氢稀释度为15时，有较高的光暗电导率之比，但光暗电导率之比只达到102数量级，与性能较好的本征层材料相差很多.以上内容对进一步研究薄膜太阳能电池有一定的参考价值.参考文献：[1]韩建超.非晶硅太阳电池界面层及稳定性研究[D].天津：河北工业大学材料科学与工程学院，2005.[2]温亮生,张富祥.非晶硅太阳电池的性能与薄膜特性的关系[J].北京师范大学学报:自然科学版,1999,35(4):479-482.[3]郝国强.非晶硅薄膜太阳电池的研究[D].天津:河北工业大学材料科学与工程学院,2003.[4]张锐.薄膜太阳能电池的研究现状与应用介绍[J].广州建筑，2007,13(2):8-10.[5]薛家斌.p-i-n单结非晶硅薄膜太阳能电池的制备及研究[D].广州：暨南大学光子技术所，2008.[6]Beaucarne G.Silicon thin-film solar cells[J].Advances in Opto Electronics,2007,2007(9):1-12.[7]王广才,孙健.非晶硅太阳电池本征层特性研究[J].光电子\5光子，1993,4(1):7-12.。
PECVD法沉积氢化非晶硅薄膜内应力的研究
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟PECVD 法沉积氢化非晶硅薄膜内应力的研究利用等离子体增强化学气相沉积技术在硅基底上沉积了氢化非晶硅(α2Si∶H) 薄膜,通过纳米压入仪、电子薄膜应力分布仪、傅里叶变换红外光谱仪等表征技术,研究了沉积时的工艺参数(射频功率、沉积温度、工作压强)对薄膜内应力的影响,对薄膜的本征应力、热应力进行分析,并探讨了射频功率对薄膜红外吸收光谱的影响。
研究结果表明,提高射频功率能够使薄膜从张应力转变为压应力,且压应力随射频功率的增大而增大;提高工作压强能够使薄膜从压应力转变为张应力;应力随沉积温度的升高而增大;薄膜中氢含量、SiH 组态、SiH2 组态含量随射频功率的增大而增大。
通过优化工艺,得到了沉积具有较小张应力薄膜的工艺参数(射频功率30 W,沉积温度250 ℃,气体流量80 cm3/ min(标准状态) ,工作压强67 Pa) ,并将其成功应用于非晶硅薄膜自支撑悬空结构。
氢化非晶硅( Hydrogenated Amorphous Silicon ,α-Si∶H) 薄膜由于具有良好的光电性能,被广泛应用于制造太阳能电池及制造液晶显示器中的薄膜晶体管(α-Si∶H TFT) 。
同时,α-Si∶H 薄膜在各种微机电系统(MEMS) 中得到应用,如作为红外敏感材料制造红外焦平面探测器,作为压敏电阻制造压力传感器,也可作为微加工工艺中的掩膜层或牺牲层。
α-Si∶H 薄膜作为MEMS 中的一种基本结构材料, 其自身应力直接影响着器件的性能、稳定性和可靠性。
薄膜内应力是薄膜生长和制造过程中,在薄膜内部产生的应力。
薄膜的内应力包括热应力和本征应力两部分。
内应力在力的外部效应来看分为压应力和张应力,常用薄膜应力测试方法有悬臂梁法、环-梁测试结构法、光学测曲率法、X 射线衍射法与激光拉曼法。
PECVD沉积参数对非晶硅向微晶硅薄膜转化的影响
摘要 ：采用等 离子体增强化学气相沉积 （ＰＥＣＶＤ）系统 ，以硅烷 和氢气为反应 气源 ，通过改变射 频功率 、硅 烷浓度来
制备氢化硅基薄膜材料 。研究 了沉 积参数的变化对硅基薄膜材料微结构 的影 响。通 过红外 吸收谱 、紫外可见光谱
ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｉ－ｂａｓｅｄ ｔｈｉｎ ｆ ｉｌｍ ｍａｔｅｒ ｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｓａｍｐｌｅ ｍａｔｅｒ ｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｚｅｄ ｂｙ
ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ－ｖｉｓｉｂｌｅ （ＵＶ－Ｖｉｓ） ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ Ｘ－ｒａｙ （ＸＲＤ） ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ
第 ４７卷 第 ２期 ２０１８年 ２月
人 工 晶 体 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ ＣＲＹＳＴＡＬＳ
Ｖｏ１．４７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１８
ＰＥＣＶＤ 沉 积 参 数对 非 晶硅 向微 晶硅 薄膜 转 化 的 影 响 ຫໍສະໝຸດ 翁秀章 ，周炳 卿 ，谷 鑫
２９８
人 工 晶 体 学 报
第 ４７卷
廉价的能源发电方式 ，而得到了快速的发展与大规模的应用 。用于薄膜太 阳能 电池的氢化非晶硅 薄膜 （ａ．ｓｉ ：Ｈ）是 一 种常 用 的光 学薄膜 材 料 ，它具 有 光 吸收 系数 大 、折 射 率高 、热 性能 好 ［＿ｌ＿等优 点 ，因而 被 广泛 应 用 于太 阳能 电池制 备 。然 而 ，氢化 非 晶硅 本身 具 有 明显 的光 致 衰退 效 应 （ｓ—ｗ 效 应 ），使得 ａ—ｓｉ：Ｈ 薄 膜 太 阳 能 电 池性能不稳定 ｊ。前人研究表明，光致衰退与其无序的网络结构有关 ，非晶硅无序 网络结构 的改善必然导 致硅薄膜的微晶化 ，与氢化非晶硅薄膜相 比，氢化微晶硅薄膜兼具非晶材料和 晶体硅材料的优点 ，其较 高 电导率 、无 明显 光致 衰 退现 象 的优 点 引起 研 究 者 极 大 的关 注 Ｊ，尤 其 是 从 非 晶 硅 向 微 晶硅 薄膜 的转 化 引起 了人们 的极 大兴 趣 。
传统PECVD高品质氢化非晶硅的淀积率
传统PECVD 高品质氢化非晶硅的淀积率颜一凡(湖南大学物理系,长沙,410082)2002205220收稿;2002209215收改稿摘要:根据W iner 模型,联合W iner 模型和Street 的氢化学势理论,分别研究了传统PECVD (CPECVD )高品质氢化非晶硅(HQ a 2Si :H )的淀积率上限r dup 和淀积率r d 与a 2Si :H 缺陷密度N D 的关系。
得到的结论是:(1)r dup =1.6nm s (目前实验上r d 已接近1.0nm s )。
(2)对每一优化淀积温度(T s =200～300°C ),存在一相应的优化淀积率r dop ,当r d <r dop 时,r d 增加,N D 减小(解释了T suda et al 的实验曲线的左边)。
还讨论了在大淀积率下(0.5nm s <r d <r dup )制备HQ a 2Si :H 时避免粉末形成的可能方法。
结果显示:适当功率密度P d Si H 4流速率f r 和(或)适当的Si H 4气压P r f r 匹配是至关重要的。
关键词:非晶硅;等离子增强化学气相淀积;淀积率上限;优化淀积率中图分类号:TN 304.055 文献标识码:A 文章编号:100023819(2004)032402205The D eposition Rate of the H igh -quality Hydrogenated Am orphous Silicon Prepared by the Conven tional PECVD ProcessYAN Y ifan(D ep a rt m en t of P hy sics ,H unan U n iversity ,Chang sha ,410082,CH N )Abstract :Fo llow ing W iner m odel com b in ing Street’s hydrogen chem ical po ten tial ,w e have investigated resp ectively the upp er li m ited of depo siti on rate ,r dup ,of the h igh quality a 2Si :H p rep ared by the conven to inal PECVD (CPECVD )as w ell as the relati on betw een the CPECVD a 2Si :H defect den sity ,N D ,and its depo siti on rate ,r d .T he resu lting conclu si on s are :(1)r dup =1.6nm s .A t p resen t ,r dup have app roached exp eri m en tally to 1.0nm s .(2)Fo r each op ti m al depo siti on tem p eratu re (200～300°C ),there is a co rresponden t op ti m al depo siti on rate ,r dop .O n the conditi on of r d <r dop ,w hen r d increase ,N D decrease .T h is is ju st the left p rop erty of T suda et al’s exp eri m en tal cu rve (250°C ).A t last ,w e discu ss the po lym er reacti on and pow der fo rm ati on under the h igh r d (>0.5nm s ).It is show n that ,in roder to avo id these disadvan tages ,the su itab le m atch ing of the pow er den sity P d Si H 4flowrate and o rSi H 4p ressu re P r f r are the decisive i m po rtance facto r .Key words :am orphous sil icon ;conven tiona l PECVD ;upper l i m ite of deposition ra te ;op -ti m a l deposition ra teEEACC :0520第24卷 第3期2004年8月固体电子学研究与进展R ESEA RCH &PRO GR ESS O F SSEV o l .24,N o.3 A ug .,2004 1 引 言一般认为:CPECVD HQ a2Si:H的淀积率上限约0.5nm s[1～4];淀积率r d与a2Si:H品质之间的关系是“负”的[5]。
VHF-PECVD沉积本征微晶硅薄膜激活能特性研究
VHF-PECVD沉积本征微晶硅薄膜激活能特性研究
陈庆东;王俊平;李洁;张宇翔;卢景霄
【期刊名称】《人工晶体学报》
【年(卷),期】2009(38)6
【摘要】采用激活能测试装置测量VHF-PECVD高速沉积的本征微晶硅薄膜,并对不同晶化率的样品和不同沉积功率、不同沉积压强条件下沉积制备的样品的激活能进行了分析研究。
结果表明:在非晶-微晶相变域附近,激活能随着晶化率的升高而降低;随着沉积功率的增大和沉积气压的增大,沉积速率提高,样品的激活能升高,通过提高沉积功率和沉积气压可以有效的抑制氧污染。
【总页数】6页(P1424-1428)
【关键词】VHF-PECVD;微晶硅;激活能
【作者】陈庆东;王俊平;李洁;张宇翔;卢景霄
【作者单位】滨州学院物理与电子科学系;郑州大学材料物理教育部重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TN304.12
【相关文献】
1.本征微晶硅薄膜的激活能特性研究 [J], 陈庆东;王俊平;马国利
2.椭圆偏振技术研究VHF-PECVD高速沉积微晶硅薄膜的异常标度行为 [J], 谷锦华;丁艳丽;杨仕娥;郜小勇;陈永生;卢景霄
3.磷掺杂微晶硅薄膜激活能特性研究 [J], 陈庆东;王俊平;张宇翔;卢景霄
4.本征微晶硅薄膜和微晶硅电池的制备及其特性研究 [J], 张晓丹;高艳涛;赵颖;朱锋;魏长春;孙建;耿新华;熊绍珍
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高气压下氢化微晶硅薄膜的高速沉积
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟高气压下氢化微晶硅薄膜的高速沉积利用甚高频等离子增强化学气相沉积（VHF- PECVD）制备了一系列微晶硅（μc- Si:H）薄膜。
研究分析了功率密度、硅烷浓度和气体流量在较高沉积气压（500 Pa 和600 Pa）下对薄膜生长速率、结晶状况和电学特性的影响。
研究表明：在高压强条件下，硅烷浓度和气体流量对沉积速率影响显著，而功率密度影响较弱；高沉积速率生长的薄膜孵化层较厚；电学特性较好的薄膜位于非晶/ 微晶过渡区。
经过工艺的初步优化，在高压强（600 Pa）条件下，使微晶硅薄膜的沉积速率提升到2.1 nm/s。
近年来，在太阳能薄膜电池领域，微晶硅薄膜被认为是最有应用前景的材料之一。
在太阳能薄膜电池应用上，与非晶硅相比，它克服了光致衰退（S- W）问题。
但微晶硅薄膜是间接带隙半导体材料，光吸收系数较低，用作太阳能电池有源层（本征层）时，为了有效的吸收入射光，厚度需要1~2 μm。
因此，高速沉积微晶硅薄膜便显得极为重要。
甚高频等离子辅助化学气相沉积结合高气压高功率被认为是最有效的方法之一。
沉积速率的提高取决于反应等离子体中生长前驱物的多少，晶化率取决于等离子体中是否含有足够的原子氢。
由此可知提高沉积速率可采用两种办法：（1）在压强不是太高的条件下，采用高功率密度提高电子温度和电子浓度，用于产生足够的原子氢，适当控制硅烷浓度和气体总流量提供足够的可供分解的硅烷，提高生长前驱物的含量，可以达到较大的沉积速率。
南开大学在压强180 Pa，功率密度2.08 W/cm2 条件下沉积速率达到2.0 nm/s。
（2）在功率密度不是太高的条件下，采用较高的压强提升硅烷的分压和。
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。
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１ ５＋６ ． Ｅ ０ ２
９６ Ｅ ０ ．０ ＋ ５
６７ Ｅ ０ ．３ －５ ５３ Ｅ ０ ．３ －５ ９８ Ｅ ０ ．５ －５
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２０ ５
３ ． ６用Ｖ Ｆ Ｈ 制备的 ａ ｉ －： ＳＨ在太阳能电池上的应用 在研究材料的基础上，我们用 Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ 初步研制了太阳能电池。电池结构为 Ｈ－ Ｃ Ｄ Ｐ
２３１ （ 导为 ９５１５ 导为 ４３ｌ０ 射频 ．ｘ ６ 光电 ３ ０ ．ｘ ＇ ８ ０， 暗电 ．ｘ －） 与 等离子体 ２ Ｏ 。 增强化学 相 积 气 沉
（－ Ｃ Ｄ ｒＰ Ｖ ）系统制备的样品相比， ｆＥ 其光稳定性敏性相似，而沉积速率提高了２ 倍以 ５ 上。
关 词 非硅膜Ｖ－ 啤 光性沉速 键 ， 晶薄 ，ＨＰ ＦＣ 敏 】积 率 Ｅ
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条件下非晶硅簿膜沉积过程和薄膜特性，获得高速沉积器件质量级的硅基薄膜材料。
２ ．实验
ａｉ 征 薄 材料 在 室 续Ｖ Ｆ ＥＶ 统中 层 膜 是 三 连 Ｈ － Ｃ Ｄ系 生长的。 高 （ Ｆ 源 －： ＳＨ本 Ｐ 甚 频Ｖ ） Ｈ电
是４ 频段输出： ０ Ｈ ， Ｈ ， Ｈ ９Ｍ ｚ 功率２０ 实验用的衬底是７５玻 ６Ｍ ｚ ７Ｍ ｚ ８ ｚ、 ０ Ｈ ， ０ Ｏ Ｍ ０Ｗ． ０ ９ 璃， 极间 电 距为２ 。 ｃ 样品的 积 件： ｍ 沉 条 激发频 ０ Ｈ ， 率７Ｍ ｚ 辉光功率 密度０６ ． ／ ２ ． －１Ｗｃ ， １ ６ ｍ 反应气体压强６－１ Ｐ， ０ ８ ａ 硅烷浓度为６ ０ ％一１％，衬底温度为 １０ ５＇＞ ５ ５－２０ Ｃ
研究表明， 提高等离子体的激发频率和反应气体的压强可以降低电 子温度和提高电 子 密度， 而且自 动加在硅烷等离子体阴极上的直流自 偏压也随着频率的提高而降低， 这将减少 流向衬底的正离子的流量和能量， 使非晶硅材料受到的离子轰击减少，降低材料的缺陷 态．
０１ 采用Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ ． ２ 我们 Ｈ－ Ｃ Ｄ技术， Ｐ 在适当 压强和较高的 工作 氢稀释条件 研究了 沉 下， 不同 积
结果如图３ 所示。可以看到，沉积速率随着压强的提高而增大。 －３ 根据Ｐｓ ｎ ｅ 定律， ａｈ ｃ 一般来说， 反应气体压强取在放电曲线极小值的附近。 但是最近的 研究表明， 工作压力的增大，不但有利于在等离子体内部产生更多的离子，提高生长速率， 而且有助于降低电子和离子的温度，生成更少的 Ｓ ２ Ｍ ，提高了膜的性能。 但是，压强过大 时， 大量反应物的离子之间的碰撞， 也可能导致它们之间的聚合， 形成高硅烷聚合物 （ｉ， Ｓ ） Ｈ
光敏性保持在 ６ 个数量级或接近 ６ 个数量级。
气压 样品号
ＭＯ ５ １ １ ２ Ｍ １２ １ ２８ Ｍ０ ２ ２ １４ １０ ８
１０ ８ １０ ８ １０ ８
１０ ８
暗电导 衬底温度 功率密度 速率 光电导 ． ｍ）． ｃ ｍ） Ｗ／ ） Ａ ） Ｑ １ Ｓｃ ｍ ／ （ （ ｃ ２ （ ｓ （ ． ＿ （２ ， 光敏性 ℃） （ａ 硅烷浓度 Ｐ）
Ｖ Ｆ ＥＶ Ｈ －Ｐ Ｃ Ｄ沉积非晶硅材料的研究
黄维海， 麦耀华， 付，薛俊明，孙健，任慧志，张德坤，耿新华 侯国 （ 南开大学光电 子薄膜器件与技术研究所， 夭津 ３０７） ００１
文摘
非晶硅薄膜的高速生长将极大地缩短生产时间， 降低生产成本。本文针对用甚高 频等 离子体增强化学气相沉积 （ Ｈ －ＰＣ Ｄ Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ ）方法生长非晶硅薄膜材料进行了研究。 在合适 的沉积条件下，我们获得了沉积速率为 ５． ／ ａ ｉ 本征层材料， ３ 秒的 － ： ６人 ＳＨ 其光敏性高达
功率密度 Ｗ／ ） 速率人 ） Ｍ ／ ℃） （ Ｃ Ｚ （ ｓ 光敏性 样品号 气压 （ ） Ｐ 硅烷浓度 衬底温度（ ａ
Ｍ １３ １ ２０ ６ ０ ６ ０ ｌ０ ８ １％ ２
１５ ８ ２７ ３ ２０ ５
０１ ．６ ０１ ．６ ０１ ．６
６６ ．
３１ Ｅ ０ ．５ ＋ ６ ６７ Ｅ ０ ．０ ＋ ４
ｇｓＴ Ｏ ／ ／ｌｉ ｌｓ Ｃ ／ｉＡ， 速率 ０ Ａｓ 电 ａ／ ｐ ｎ ／ 层沉积 为２． ／ 池取得的 ９ 。 效率为３９ ； ． ２ 开路电 压为０８ ； ． １ Ｖ
短路电 流为 １． ；填充因子为０４。由于本沉积系统在设计上有很多不利于沉积电池的 ０３Ａ ０ ．７ 地方， 同时因为还是初步研究， 只做了３ 次电池方面的实验， 还有不少问题有待解决， 如界 面问题等，所以用 Ｖ Ｆ Ｈ 研制电 池还有很大的潜力。 使用ＶＦＰＣＤ 技术， Ｈ－ＥＶ 制备整个太阳电池的沉积时间只有 ８ 分钟左右。 而用 ｒ－ＰＣＤ ｆ ＥＶ 工艺制备相同厚度的电池，则需要 ６ 分钟左右。相比之下，速率提高了接近 ８ ０ 倍。也就是 说，如果将 ＶＦ Ｈ 运用在产业化，可以极大地提高太阳能电池的产率。
１％ ５ １％ ５ １％ ５ １％ ５ １％ ５ ２０ ５ ２０ ５ ２０ ５ ２０ ５
０４ ．４ ０６ ．４
１
３． ４２ ４． １８ ５． ０２
７４ Ｅ ０ ． －６ ４
７５ Ｅ ０ ．１ －５
５９ Ｅ １ ．５ －２ ７８ Ｅ １ ．１ －１ ５ Ｅ１ ３９ － １
５６ Ｅ Ｉ ．０ － １
４ ２ Ｅ－ １ ．３ １
材料。与 ｒＰ Ｃ Ｄ系统制备的样品相比，其沉积速率提高了 ２ 倍以上。将 Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ ｆＥ Ｖ － ５ Ｈ－ Ｃ Ｄ Ｐ 技术运用于太阳能电池的产业化，可以极大地提高电池的 产率，降低生产成本。
４ ．结论
综上所述， 我们采用 Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ Ｈ － Ｃ Ｄ技术和适当的高反应气体压力， Ｐ 有利于提高薄膜的 质量和沉积速率： 提高衬底温度可以 增大沉积速率； 较高的氢稀释可以提高非晶硅材料的稳
定 在合 沉积条 性。 适的 件下， 获得了 我们 沉积速率为５． 渺 ， ３ 人 光敏性大于１ 的 征ａ ｉ ６ ０ 本 －： ６ ＳＨ
１ ４ １
二
．１ 住 ‘ 下 ‘ 』口
： ：
， 。Ｊ －
ｐ ． Ｉ ｉ ｗｃ ＇ ． ． ｌ ／ｍ７ ｄ ｌｌ －
图３ 不同等离子体功率密度下 ａ ｉ －４ －： ＳＨ薄膜的沉积速率
３ 优质ａＳ：材料沉积条件与性能参数 ． ５ －ｉＨ 综上所述，我们优化沉积条件，采用衬底温度 （５＇） ２０ ，合适的硅烷浓度 〔５ ， Ｃ １％） 适当的高气压 （８Ｐ） 获得了 １０ａ， 沉积速率从３． ／ 到５， ／ 的ａＳ：薄 ４２人Ｓ ３６人Ｓ －ｉＨ 膜材料， 其
到６ 时， ％ 沉积速率也从２．Ａｓ １ ／ 快速下降到 ５３ 。同时，样品的Ｒｍｎ ２ ． ｓ Ａ ／ ａ ａ 衍射峰位置
从 态的４９３ 移 １９ ｍ ， 显晶 由 上的 不 看出， 在保 较 非品 ７．ｃ 到５ ．ｃ 明 化。 以 分析 难 ４ ｍ， ４２ 为了 持
高的沉积速度的同时，提高材料的稳定性，应该采取适度的氢稀释。
。 降 －： 膜的 量。２ 我 在实 只 适当 ， 低ａ ｉ ＳＨ薄 质 １ １ 所以 们 验中 是 提高压 在 沉积 的 强， 提高 速率 同
时，保证材料的稳定性。
． ｌｅ ： ￣签 它 口
．１ ｓｎｄｓ， ，１ ／＇０Ｈ １ ｉｅ ｔ ５ ０６ ｃ， ｚ」 ５ ｌ ｅｉ２ ＇ ． ｍ７ ％ ｎｙ ０ ａ Ｃ Ｗ Ｍ
一般情况下，ａ ｉ 薄膜生长速率的增加，将伴随着其性能光致衰退效应的 －： ＳＨ 增大。 因 此如何高速沉积优质稳定的ａ ｉ －： ＳＨ材料成为当前研究的热点课题。
在等离子体增强化学气相沉积中，Ｓ Ｏ；分解生成的 Ｓ ， ２ Ｓ ３ ｉ Ｓ ． 等反应基团 Ｈ ｉ Ｈ ｉ Ｈ 都将 促进ａ ｉ －： ＳＨ膜的生长。一般认为Ｓ ３ Ｉ 根有利于生成优质稳定的ａ ｉ Ｈ －： ＳＨ膜， Ｓ ２ 将 而 ｉ 根 促 Ｈ 进高硅烷聚合物的形成，从而使生成的ａ ｉ －： ＳＨ膜稳定性变差。一般生成 Ｓ ２ ｉ 所需的电 Ｈ 子能
１６ Ｅ十 ６ ．００５
１． ７２
Ｍ０ ０ １ ３１
３ ． ２硅烷浓度对 ａ ｉ －： ＳＨ薄膜的影响
非晶 光 硅材料的 致衰退是由 大 于 量缺陷 存在 态 而产生的， 减少缺陷态， 所以 使材料更
加有序化也是实现非晶硅材料稳定化的一个重要方法， 氢稀释的一个作用是加强氢的刻蚀作 用， 把那些连的不是很稳固的Ｓ Ｓ键刻蚀掉，以生成更加牢固的ｓ Ｓ键，使缺陷态减少， ｉｉ － ｉｉ －
ｐｅ ｓ ｆ（ｅ （ ｓ ｕｅｐ ）
图３ －３不同气压下 ａ ｉ －： Ｓ Ｈ薄膜的沉积速率
３ ． ４等离子体功率密度对 ａ ｉ －： ＳＨ薄膜的影响 固定衬底温度、 反应压强和硅烷浓度， 改变等离子体辉光功率密度， 沉积 ａ ｉ －： ＳＨ薄膜。 结果如图３ 所示。当功率密度提高时，沉积速率也随着提高。功率密度较低时，沉积速 －４ 率提高的很明显， 当进一步提高功率密度时， 沉积速率提高的就很少了。 这是由于， 当功率 密度较高时， 硅烷已 经接近充分分解， 再增加功率密度对于提高沉积速率的帮助就不明显了。
有序 度提高。１ ［１ ， ３ 但这不是说， 硅烷浓 度越小越 当 好， 氢稀释到一定 度， 程 硅烷等离子 体中
占 主要地位的离子就会从较重的 Ｓ ３ ｉ＊ Ｈ 离子向 较轻的Ｈ 离子转变， ＇ 等离子体中的电子温度就 会增加，这是不利于高速生长高品质的非晶硅薄膜。Ｉ ｌ ｌ 我们固定反应气体压强、 衬底温度和功率密度，改变硅烷浓度，制备出的样品的沉积 速率如图３ 所示，样品的Ｒｍ ｎ －１ ａ ａ 衍射谱如图３ ２ － 所示。可以看出， 硅烷浓度由１％降 ５