大气压等离子体辅助多晶硅薄膜化学气相沉积参数诊断

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1、第59卷第4期2010年4月物理学报Vol.59，No.4，April，20101000-3290/2010/59(04)/2653-08ACTAPHYSICASINICA2010Chin.Phys.Soc.大气压等离子体辅助多晶硅薄膜*化学气相沉积参数诊断刘莉莹张家良郭卿超王德真(大连理工大学物理与光电工程学院，大连116023)(2009年6月13日收到;2009年8月25日收到修改稿)本文采用发射光谱法诊断了大气压下Ar气、SiCl4及H2气混合气体(Ar/SiCl4/H2)射频放电等离子体射流特性.利用Si原子谱线强度计算了电子激发温度并以此估算

2、了Si原子数密度，研究了射频功率及气体流量对电子激发温度和Si原子数密度以及SiCl4解离率的作用.关键词:大气压等离子体射流，发射光谱，电子激发温度，多晶硅薄膜沉积PACC:5270K放电等离子体射流增强化学气相沉积多晶硅薄膜1.引言的工艺研究.在沉积过程中，Si原子的数密度和能量对薄膜的结构具有决定性影响，因此本文利用发提高太阳能电池的转换效率、降低生产成本一射光谱方法分析Si原子的数密度和电子激发温度直是太阳能电池板工艺研究的目标.从单晶硅太阳对放电参数的依赖关系，目的是寻找最佳的沉积能电池到如今大规模应用的非晶硅、多晶硅及薄膜参数.太阳能电池，工艺的

3、每一次技术进步都是追求上述目标的结果.多晶硅薄膜太阳能电池因其硅耗量2.实验小，又无非晶硅薄膜电池的效率衰减问题，并且可能在廉价基材上制备，其成本预期远低于单晶硅电实验通过测量Si原子的线发射光谱强度获得［1，2］池且效率远高于非晶硅薄膜电池而备受瞩目.电子的激发温度和Si原子数密度，并改变外界参多晶硅薄膜的制备工艺决定了其结构和特性.多晶数，如放电功率、SiCl4的混合比、载气流量、H2流量硅薄膜的制备方法分为直接沉积和间接沉积两大等，分析电子激发温度和Si原子数密度的变化类.直接法即利用等离子体增强化学沉积方法直接趋势.［3—5］制备多晶硅薄膜.间接法需

4、要采用低压CVD方实验装置如图1所示.放电电极为直径为法制备非晶硅薄膜，再经热处理使其转变为多晶硅35mm，厚度为0.75mm的不锈钢圆片，并均匀地加［6，7］薄膜.目前，间接法基本实现了工业化生产，但工了平行排列的宽度为0.8mm的条形孔隙，孔隙工艺复杂产量较低.虽然直接法有望解决这些问间距为1mm.在以前的工作中，作者曾经分析了圆题，但在多晶硅薄膜的结晶质量及均匀性方面还有孔电极和条形孔电极的放电特性的不同.结果表待提高.用于辅助沉积多晶硅薄膜的诸多等离子体明:由于圆孔的边界曲率远比条形孔边界大，气体［8，9］多为低气压放电形式，设备成本较高.大气压等流

5、过圆孔电极时产生明显的边界效应，特别当流速离子体工艺装置简单，成本低，若可以取代低气压大时，气流便无法平稳流出，而在两电极之间形成放电应用于多晶硅薄膜工艺，将有广阔应用前景.混沌流动状态，导致流量变化对等离子体状态几乎本文尝试以SiCl4作为Si源，利用大气压射频没有影响.条孔电极与之相比明显不同，条孔电极*国家自然科学基金(批准号:10775026，10675028)资助的课题.通讯联系人.E-mail:wangdez@dlut.edu.cn2654物理学报59卷较规则连贯的孔隙能使气流容易通过，边界效应不En［10］统计权重，B(Te)=Σgnexp(

6、－)为Si原子的明显，等离子体参数对流量变化有明显响应.考nkBTe虑上述结果，本文采用的电极设计是条形刻孔电配分函数.Si原子在n，i两个能级和m，k两个能级之极.上电极板为13.56MHz射频驱动电极，下电极间跃迁产生两条发射光谱线，谱线强度分别为接地.等离子体的发射光谱测量使用SP305光谱仪gnIni=nnAnihνni=n实现.放电气体Ar，SiCl4及H2分别通过气体质量B(Te)流量计充入放电区.首先在纯Ar流中实现点火并在×exp－EnAhν，()nini确定功率下稳定放电，然后通入SiCl4和H2.放电产kBTe(3)生的电子在与SiCl4

7、分子和H2分子发生碰撞时，使gmImk=nmAmkhνmk=n其发生解离成为Si原子和H原子，并由电极板气孔B(Te)隙随气流喷出形成沉积原子射流.Em×exp(－)Amkhνmk，kBTe其中nn，nm表示激发能级为n，m的原子数密度，Ani，Amk表示从能级n，m跃迁到能级i，k的自发辐射概率，h为Planck常量，νni，νmk为谱线的频率.对于Si原子而言，联立(2)和(3)式可得IniAnignλmkEn－Em=exp(－)，(4)ImkAmkgmλnikBTe其中λ是波长.对(4)式取对数得到ln(IniAmkgmλni)ImkAnignλmk1

8、=－(E－E)+D.(5)kTnmBeIλ图1实验装