基于中压等离子体技术的超高速、低温硅外延生长研究

The achievement of low-temperature and fast-rate silicon epitaxy is the prerequisite for the large-scale development of the next-generation crystal silicon thin film (CSTF) solar cells. However, there is no epitaxial technology exist that fulfills with both the requirements in the conventional technologies. The intermediate pressure plasma chemical vapor deposition (mesoplasma CVD) developed in the last decay has shown its great advantages in the fast-rate and high-yield silicon eptiaxy because of its unique plasma environment and film epitaxial growth mode. It is also expected to realize the low temperature and fast rate at the same time for the silicon epitaxial growth. In this study, therefore, we will use mesoplasma CVD at the first time in China to investigate the low temperature and ultrafast rate epitaxial process for the single crystal silicon film deposition. The effects of the atomic H on the characteristics of the deposition precursors and the film growth process will be studied for this special nanocluster assisted epitaxial process. Also, high quality epitaxial silicon films with ultrafast rate of >500 nm/s at the temperature below 700˚C are expected to be obtained by controlling the substrate temperature and the film deposition process. Furthermore, the annealing effect by mesoplasma and also the silicon film epitaxial process on porous silicon substrate will be studied. High quality epitaxial silicon films with fast rate is expected at low temperature on porous silicon by carefully design the film deposition process. The successful implementations of this study will be helpful for the development of the CSTF solar cells and open a new route for the low-cost and high-efficient use of the solar energy.

低温、高速硅外延生长的实现是下一代低成本超薄晶硅太阳能电池得以大规模发展的前提，而传统的技术中不存在既能满足低温要求，又可以达到太阳电池大规模量产所需要的外延技术。近些年来新开发的中压等离子技术因其独特的等离子体环境和外延生长方式，在硅的高速、高效外延生长方面已经表现出了极大的优势，并有望实现低温、快速外延。鉴于此，本项目将在国内首次使用该技术展开对单晶硅薄膜的超高速、低温外延生长的研究，探讨H原子在特殊的基于纳米团簇辅助沉积过程中对成膜前驱体特性以及成膜过程的影响，并结合对衬底温度以及成膜过程的有效控制，拟在700˚C以下温度实现速率>500 nm/s的高质量单晶硅薄膜的高速外延生长。另外，在多孔硅衬底上研究中压等离子体的原位退火作用以及硅薄膜外延生长过程，实现高质量单晶硅薄膜的高速外延生长。本研究的顺利实施将进一步推进晶硅薄膜太阳能电池的发展，开辟一条太阳能低成本、高效利用的新道路。

在半导体领域,尤其是下一代超薄晶硅太阳能电池领域,对高速、低温薄膜外延技术有着迫切的需求。而在传统技术中，高速与低温是两个相对矛盾的因素，高速往往需要高温的环境，低温则限制了沉积原子在衬底表面的迁移从而限制了外延速率。本项目主要采用新型的中压等离子体技术，利用中压等离子体特殊的等离子体环境，研究其基于纳米团簇辅助外延的硅薄膜生长过程，并且通过对成膜前驱体（纳米团簇）特性的分析和控制，主要是对纳米团簇的尺寸、结构和能量的分析和控制，以及通过H原子对纳米团簇中硅原子迁移促进作用的合理利用，并通过水冷样品台对衬底温度的控制，在700 ˚C 左右温度实现了约为700 nm/s的单晶硅薄膜的外延生长速率，该速率比传统外延技术的提高了一个数量级以上。另外，通过对多孔硅薄膜的可控制备以及对不同结构双层多孔硅（主要是上下层多孔硅的厚度和孔隙度）在中压等离子体中的原位退火结果研究，筛选了合适结构的双层多孔硅置于中压等离子体中进行原位退火和硅外延生长研究。研究结果表明中压等离子体中的高能量和高的H原子浓度使得多孔硅经过几秒钟的中压等离子体退火即获得了传统退火半小时后以上的退火效果，并且在粗糙多孔硅退火表面上仍可获得350 nm/s的高质量单晶硅薄膜的快速生长，从而进一步揭示了以纳米团簇辅助外延为特点的中压等离子体CVD技术在快速硅外延方面所表现出的独特优势。除此之外，中压等离子体中相对较高的等离子体温度和高的H原子浓度能够促进非晶硅的快速退火晶化作用，在热和H原子化学退火的共同作用下，非晶硅薄膜能够在几秒钟时间内，在600 ˚C以下温度实现快速退火，进一步表明了中压等离子体技术在晶硅薄膜生长方面的独特优势。通过本项目的实施，打破了传统快速外延对高温的要求，开辟了一条硅薄膜超高速、低温外延生长的新道路，并且有助于加深对基于中压等离子体的薄膜沉积过程的认识，为该等离子体技术的发展及基于该技术的新材料的开发奠定了基础。