甚高频高速沉积微晶硅薄膜生长特性的研究

实现微晶硅薄膜的可控性生长是一个具有挑战性的工作，其要求对微晶硅薄膜的生长机制，特别是高速生长机制要有比较清晰的认识。本课题采用理论模拟与在线表征相结合的方法，对甚高频高速沉积微晶硅薄膜的生长特性展开研究，分析薄膜的结构特性与控制参数间的关系，揭示其生长机理。研究主要围绕微晶硅薄膜沉积的几个关键过程，即甚高频等离子体的放电状态、气相反应化学和表面反应化学进行，重点阐述沉积参数所决定的等离子体征、气相组分及其二维分布特性对薄膜的择优生长取向、晶粒尺寸、H含量和沉积速率的影响。为增强模型和实验的相关性和可比性，通过椭偏光谱、郎缪尔探针和发射光谱等表征手段对微晶硅薄膜沉积的三个过程进行在线分析，并完成模型的修正和完善。研究成果对推动高速、高效率微晶硅薄膜太阳电池的发展具有一定的理论指导意义。

作为薄膜太阳电池的组成之一，硅基薄膜太阳电池占据着重要的地位。而微晶硅薄膜生长机理的研究，对改善薄膜质量、提高电池性能具有积极的作用。本课题采用两种模拟软件相耦合，以及与沉积实验、发射光谱等相结合的方法对甚高频高速沉积微晶硅薄膜的整个过程（等离子体特性、气相反应、表面反应）进行了研究，其结果能很好的吻合。通过对沉积气压、放电功率、硅烷浓度、衬底温度等参数的研究，发现H原子和SiH3等沉积前驱基团的浓度及其比值、各晶面的表面反应速率共同决定了薄膜的结构特性，且气相中H原子的浓度比率对微晶结构的形成至关重要。增加H原子的浓度比，可有效的降低薄膜的H含量，有助于晶体结构的生长。SiH3基团为主要的沉积前驱体。当气压和硅烷浓度比较高时，高硅基团如Si4H9、Si3H7的浓度大幅度增加，对沉积的贡献增大。同时，高硅分子（如Si5H12、Si3H8等）参与沉积过程，使沉积速率进一步增加。但其沉积过程可以通过高功率下的离子的轰击作用进行抑制。由于具有较高的H吸附反应速率常数和较低的H原子脱附能，在不考虑薄膜非晶化的条件下，适当的降低气相中的H原子浓度和衬底温度，增加沉积前驱体的浓度有利于（111）晶面的生长。所以，通过模拟的薄膜的H含量可以表征实验沉积的薄膜的晶化率；通过模拟的（111）和（100）晶面的生长速率的比值可以获得薄膜实际的择优生长取向和晶粒尺寸的变化规律。总之，该模拟方法可以对实验结果进行科学的解释，对微晶硅薄膜的的预研提供一定的理论指导。