论文部分内容阅读
相较于非晶硅(a-Si：H)薄膜,氢化微晶硅(μc-Si：H)薄膜由于良好的长波响应特性,高的载流子迁移率和高的光电稳定性等优点,在硅基薄膜太阳能电池中得到了广泛运用。同时,甚高频等离子加强化学气相沉积(VHF-PECVD)法成为制备μc-Si：H薄膜的主流方法。而微晶硅薄膜生长机理的研究在薄膜的制备过程中对调控微结构、优化电池性能等方面具有重要的指导作用。本文采用Comsol中的等离子模块和Chemkin中的AUROR模块相结合的方法,对H2、SiH4混合气体的等离子体特性、气相反应和表面生长过程进行了数值模拟,研究了沉积参数对μc-Si：H薄膜沉积速率和结构特性的影响。首先,通过一维的放电模型,获得电子温度(Te)和电子浓度(ne)等等离子体特征参数。然后,将这些参数带入气相和表面反应模型,得到各种粒子的气相浓度和薄膜的生长特性。反应过程共涉及42个气相反应和43个表面反应。同时,利用光发射谱(OES)对实验过程中等离子辉光特性进行了在线检测,并制备了实验样品,以于模拟结果进行比较。研究发现模拟和实验结果能很好的吻合,且主要结论如下：(1)随着功率的增加,等离子体中Te和ne增大,使气相基团SiH3、SiH2和H原子的浓度(nSiH3,nSiH2,nH)增大,nSiH3/nH减小；随着气压的增加,Te直线下降,ne先增后减,nSiH3增加并逐步饱和,nSiH3/nH降低；随着频率的增加,Te减小,ne增加,nSiH3、nSiH2、nH增加,nSiH3/nH减小；随着硅烷浓度的增加,nSiH3增加,nSiH3/nH降低。(2)低压、低硅烷浓度时,SiH3为主要的沉积前驱基团。随着气压和硅烷含量的增加,粒子在沉积室内的滞留时间增加,浓度增大,使得高硅基团的浓度积聚增加,造成薄膜沉积速率的额外增大。当功率过高时,离子的轰击作用导致薄膜的沉积速率降低。同时,等离子体特征参数不管取自硅烷、氢气混合气体还是纯氢气放电,对模拟结果都能很好的和实验结果吻合,说明可用纯氢气等离子放电来简化模型。(3)薄膜的晶化率(Xc)取决于气相中nSiH3/nH比值的大小。随着nSiH3/nH的减小,薄膜中的氢含量(CH)减小,Xc升高。薄膜的生长取向和各晶向的晶粒尺寸主要取决于其相对生长速率。沉积温度的增加,沉积前驱基团的表面扩散增强、表面悬键比例增加,有助于<110>晶向的生长。当沉积前驱基团浓度较低时,表面生长呈现气相扩散限制,前驱基团浓度的增加有利于<111>面的生长和晶粒尺寸的增大；当基团浓度较高时,生长向表面反应限制转变。这时,等离子体中nH增加有助于<110>生长取向的生长。