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以硅烷为气源用ECR-PECVD制备多晶硅薄膜

作　者: 王阳
导　师: 王晓冬
学　校: 东北大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 多晶硅薄膜太阳能电池电子回旋共振等离子体
分类号: TN304.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

多晶硅薄膜以其优异的光电性能和较低的制备成本在能源信息工业中，日益成为一种非常重要的电子材料，被广泛应用于大规模集成电路和半导体分立器件。高效、稳定、廉价的多晶硅薄膜太阳电池有可能替代非晶硅薄膜太阳电池成为新一代无污染民用太阳能电池。目前国际上已经发展了多种低温制备技术，传统的PECVD系统较适合大规模工业化生产，而且工艺成熟，所制备的薄膜质量高，因而PECVD法是工业化生产最有效的方法，但各有其不利于工业化生产的因素。电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积ECR-PECVD技术可以有效降低衬底温度，适用于大规模工业生产。SiH₄与SiF₄结构性能相近，且是一种比较清洁的工业原材料，生产更安全。同时为了提高放电效率和安全性引入氩气作为载气。因此，本论文尝试采用SiH₄作为反应气体，用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积ECR-PECVD方法，在玻璃和单晶硅衬底上直接制备多晶硅薄膜，以求寻找一种适应大规模业化生产的方法。通过在大连理工三束材料改性国家重点实验室半年时间一系列的实验，我们发现，当衬底温度为500℃时，即能沉积高质量的多晶硅薄膜。沉积前，H₂等离子体的清洗时间和流量对多晶薄膜的质量有较大的影响。通过与其他反应气体相比较，我们制备的多晶硅薄膜不含杂质。以玻璃为衬底的薄膜其晶粒大小随深度的增加而增大，由此可推断若薄膜越厚，则晶粒会越大。衬底为硅片时，在较低的沉积功率下就能获得完全晶化的多晶硅薄膜。通过与其它源反应气体相比较，我们认为：①通过电子回旋共振等离子体放电的方式确实可以降低反应衬底对温度的要求。②氢气在反应中起到化学清沽作用、原位化学腐蚀作用和对衬底的预处理促进了薄膜的低温晶化，在本试验中氢气清洗流量40sccm效果较好。③在反应谐振腔中的引入氩气可以提高放电效率，有助于微波放电，能进一步提高SiH₄的离解率。④在该反应体系中，电子回旋共振给主反应气体提供能量，因此在薄膜沉积过程中主要取决于等离子体中的空间气相反应过程。因此，薄膜的晶化度受沉积功率的影响较大。

全文目录

独创性声明  3
学位论文版权使用授权书  3-4
摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-21
  1.1 概述  11-12
  1.2 多晶硅薄膜材料的制备方法  12-16
    1.2.1 化学气相沉积(CVD)法  12-13
    1.2.2 等离子增强化学气相沉积(PECVD)法  13-14
    1.2.3 液相外延(LPE)法  14
    1.2.4 在衬底上直接沉积多晶硅薄膜  14-16
  1.3 多晶硅薄膜的结构  16-17
    1.3.1 成核理论  16-17
    1.3.2 多晶硅薄膜的成核  17
  1.4 多晶硅薄膜的应用  17-20
    1.4.1 多晶硅薄膜在太阳能电池中的应用  17-19
    1.4.2 多晶硅薄膜晶体管(p-Si TFT)在平板显示领域中的应用  19-20
    1.4.3 多晶硅薄膜在传感领域内的应用  20
  1.5 预期达到的目标  20-21
第二章多晶硅薄膜沉积理论  21-33
  2.1 化学气相沉积动力学的一般考虑  21-25
    2.1.1 复相生长薄膜的过程  21-23
    2.1.2 边界层与质量转移系数  23-25
  2.2 化学气相沉积多晶硅薄膜的动力学  25-27
    2.2.1 常压化学气相淀积多晶硅薄膜的动力学  25-26
    2.2.2 低压化学气相淀积多晶硅薄膜的动力  26-27
  2.3 多晶硅薄膜的生长理论  27-32
    2.3.1 成核理论  27-31
    2.3.2 沉积条件对多晶硅薄膜形貌的影响  31-32
  2.4 小结  32-33
第三章实验设备和材料分析技术  33-43
  3.1 实验设备及原理  33-37
    3.1.1 低压等离子体辅助化学气相沉积原理  33-34
    3.1.2 ECR—PECVD中低温等离子体的产生及特点  34-35
    3.1.3 ECR—PECVD的总体结构及其特征  35-37
  3.2 材料的分析手段  37-42
    3.2.1 高能电子衍射仪  37-40
    3.2.2 X射线衍射  40-41
    3.2.3 原子力显微镜(AFM)  41-42
  3.3 小结  42-43
第四章实验结果及讨论  43-61
  4.1 衬底、硅源和氩气的选择  43-46
    4.1.1 衬底材料的选择  43-44
    4.1.2 硅源的选择  44-45
    4.1.3 氩气的选择  45-46
  4.2 等离子体清洗实验  46-51
    4.2.1 衬底的化学清洗  46
    4.2.2 等离子体清洗  46-51
    4.2.3 小结  51
  4.3 生长实验  51-55
    4.3.1 多晶硅薄膜生长过程工艺选择的实验结果与分析(Rheed图)  52-53
    4.3.2 实验结果比较与分析  53-54
    4.3.3 小结  54-55
  4.4 实验结果的讨论  55-61
    4.4.1 原子力显微镜的观察结果  56-59
    4.4.2 多晶硅薄膜的扫描电镜观察结果  59-61
第五章结论与展望  61-63
  5.1 结论  61-62
  5.2 展望  62-63
参考文献  63-67
致谢  67

以硅烷为气源用ECR-PECVD制备多晶硅薄膜

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