射频空心阴极放电及其在微晶硅薄膜制备中的应用.pdf

《射频空心阴极放电及其在微晶硅薄膜制备中的应用.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、射频空心阴极放电及其在微晶硅薄膜制备中的应用姜鑫先2015年1月1中图分类号：UDC分类号：射频空心阴极放电及其在微晶硅薄膜制备中的应用作者姓名姜鑫先学院名称物理学院指导教师欧阳吉庭陈强答辩委员会主席袁方利申请学位级别理学博士学科专业凝聚态物理学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月2Radiofrequencyhollowcathodedischargeanditsapplicationinmicrocrystallinesilicon(μc-Si:H)thinfilmsCandidateName：JiangXinxi

2、anSchoolorDepartment:SchoolofPhysicsFacultyMentor:Prof.OuYangJiTingProf.ChenQiangChair,ThesisCommittee：YuanFangLiDegreeApplied:DoctorofScienceMajor：CondensedMatterPhysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan,20153研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进

3、行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：5北京理工大学博士学位论文摘要射频空心阴极放电可以产生高密度等离子体，因而被认为是有望实现快速沉积微晶硅薄膜的有效方法之一。本文对射频空心阴极放电的放电特性和放电维持机制进行了实验和模拟研究，并利用射频空心阴极放电对快速沉积微晶硅薄膜进行

4、了探索。研究内容主要分四个部分。首先，利用单孔空心阴极装置实验研究了Ar气环境下射频空心阴极放电特性，测量了不同实验条件下的电压-功率曲线、放电图像、发射光谱以及电子密度和温度等。结果表明，在一定的条件下可以形成稳定的射频空心阴极放电；电子密度随放电电压、频率和孔深增大而增大，在合适的气压和孔径条件下可以实现放电区电子密度的最大化。随着功率的增大，放电可以从α模式向γ模式转变，并伴随放电图像、发射谱线分布以及等离子体密度的跃变；此外电极孔径、气压和电源频率对放电模式的转换也有重要的影响。其次，利用二维流体模型模拟研究了射频空心阴极

5、放电特性。通过模拟得到了电子和离子密度、电离速率、空间电势、电场和电子功率耗散的时间和空间分布特性。结果显示，放电发展经历四个阶段，达到稳定放电状态时可以产生明显的空心阴极效应；周期变化的空间电场使鞘层区的电子密度以及电离速率的空间分布发生周期变化；在射频条件下，电子可以通过鞘层的振荡获得能量，因而可以在阴极表面没有二次电子发射的情况下维持空心阴极效应。然后，模拟研究了工作条件对射频空心阴极放电的影响。分别在不同电压、气压、孔径、孔深和电源频率条件下，模拟得到了电子和离子密度、电离速率、空间电势和电场的空间分布特性，研究了放电条件

6、对射频空心阴极放电影响的物理机制。结果显示，电压增加，鞘层电场增强，增加了电离速率和电子密度；在射频条件下，空心阴极效应存在实现电子密度最大化的最优化气压和孔径条件；孔深增加导致阴极孔内发生空心阴极效应区域扩大，电子密度增加，当孔深较大时，电子密度随孔深变化将趋于饱和；电源频率增加可以使电子在单位时间内获得更多能量，电离碰撞几率增加，电子密度提高。I北京理工大学博士学位论文最后，利用射频空心阴极放电等离子体进行了微晶硅薄膜沉积。研究了电源功率、频率、气体比例、气压以及电极结构对微晶硅薄膜沉积速率与性能的影响，并对不同结晶率薄膜的微

7、结构和表面形貌进行了表征。结果表明，40%～50%结晶率的薄膜致密性较好，过高的结晶率会使薄膜的缺陷增多。在优化的沉积条件下，利用多孔阵列的空心阴极放电可以实现沉积速率达到2.5nm/s，结晶率为50%的微晶硅薄膜。关键词：射频空心阴极放电；空心阴极效应；流体模型；放电模式；微晶硅薄膜；沉积II北京理工大学博士学位论文AbstractRadiofrequencyhollowcathodedischarge(RF-HCD)isoneofthemostmeasuresforrapiddepositionofmicrocrystalli

8、nesilicon(μc-Si:H)thinfilmsduetotheabilityofgeneratinghighdensityplasma.ThisthesisfocusesonthedischargeprocessofRF-HCDandits