放电功率对VHF- PECVD沉积微晶硅薄膜的生长特性的仿真模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室 作者:陈喜平

  甚高频等离子体增强化学气相沉积技术是当前高速制备优质微晶硅(μc-Si:H)薄膜的主流方法,其生长机理也一直是研究的热点和难点。本文采用Comsol软件中的等离子模块和Chemkin软件中的AUROR模块相结合的方法,对H2和SiH4混合气体等离子体放电、气相反应和表面生长过程进行了数值模拟,研究了沉积功率对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,获得电子温度和电浓度等等离子体参数。随后,将该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特性参数。模拟过程涉及24个电子碰撞反应、42个气相反应和43个表面反应。同时利用光发射谱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。将模拟的SiH3基团、H原子的气相浓度以及它们的比值,生长速率,薄膜中的氢含量和薄膜生长取向等同实验进行了对比,发现能够较好的吻合。

  氢化微晶硅(μc-Si:H)薄膜具有高的光、电稳定性,和非晶硅薄膜相同的制备工艺,良好的长波响应性等优点;特别是可以和非晶硅薄膜相结合构成叠层电池,进一步提高电池的转换效率。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意义。但是由于μc-Si:H薄膜的生长是个复杂的过程,且对等离子体监测的设备费用昂贵,并且需要的周期较长,因此如能结合计算机模拟的方法分析各个沉积参数对薄膜沉积过程的影响,将对实验具有重要的指导意义。Bhandarkar等和Bleecker等对硅烷等离子中大分子气相团簇的形成原因进行模拟,Nienhuis等采用一维流体模型对SiH4-H2等离子体放电进行了模拟,Zhang等采用二维流体模型研究了微晶硅的等离子放电过程和薄膜沉积过程。但这些模拟大多只针对沉积过程的某一个环节,且与实验的比较仅限于薄膜的沉积速率,不能揭示沉积参数与薄膜特性间的关系。Satake等对等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法沉积μc-Si:H薄膜的整个过程进行了模拟,并对薄膜特性进行了分析,遗憾的是没有详细的实验结果支撑。李艳阳采用Comsol软件对H2气放电进行了模拟,其结果和实验结果能很好的吻合。基于此,本文首先采用Comsol软件对氢气和硅烷混合气体进行等离子体特征模拟,求得电子温度和电子浓度等参量,然后运用Chemkin中的AURORA模块,在腔体气相反应和表面生长方面对甚高频化学气相沉积微晶硅薄膜的生长过程进行了模拟,得出反应过程中各反应基团的含量、薄膜沉积速率、薄膜中氢的含量等;采用SR-500型光发射谱(OES)仪对气相反应过程进行在线监测,并将制备的微晶硅薄膜与模拟结果进行对比。

1、模型和实验

  1.1、模型和参数

  首先采用Comsol软件中的CCP模块,通过电子与H2、H原子、SiH4的各种弹性碰撞、激发、电离等截面,建立一维模型对硅烷和氢气混合气体等离子放电进行模拟,模型中涉及24个反应方程。在求得平均电子温度、电子浓度的基础上,利用Chemkin中的AURORA模块进行气相和表面反应过程的模拟。

  在气相反应中,充分考虑了薄膜生长前驱物在表面的吸附反应、H原子的脱附与插入反应、表面吸附基团间的键连反应、以及刻蚀反应等对薄膜生长的重要作用和对薄膜质量的影响,涉及多种分子(SiH4H2,Si2H6,SI3H8,Si4H10,SI5H12,SI6H14)和中性基团(SiH3,SiH2,SiH,H3SiSiH,Si2H5,Si3H7,Si4H9,H)。采用的衬底为硅衬底,Si(100)和Si(111)面的面密度分别为1.12×10-9 mol/cm2和1.3×10-9 mol/cm2。表面反应过程中性基团在硅衬底上吸附生成11种表面吸附基团,例如SiH3(s)、SiH2(s)、SiH(s)等,在软件中表示为SHHH(s),SSHH(s)、SSSH(s)。生长表面的Si悬挂键可分为单键SSSD(s)和双键SSDD(s)。体相基团包含Si、SiH和SiH2,表示为SSSS(B),SSSH(B),SSHH(B)三种。基于上述,共选择了42个气相反应[6,10]和43个表面反应方程,其中气体温度为400K,表面温度固定在493K。

  1.2、实验

  在薄膜沉积实验中,频率固定在75MHz,流量为100ml/min(标准状态),硅烷浓度为3%,表面温度为493K,极板间距为1.5cm,反应极板面积为78.5cm2,反应压强为2.66×102Pa,功率的变化范围为30~70W。所有样品都是在沈阳科学仪器厂研制的高真空四室连续PECVD系统的本征室制备的,高频电源为英国CoaxialPowersystems公司RFA300Wb系列。反应气体为硅烷和高纯氢气的混合气体;衬底为普通玻璃;用分光光度计(日本岛津UV23100)测量微晶硅薄膜的厚度;用拉曼光谱仪(Renishaw2000)表征材料的结晶状况,并对谱线进行了三峰高斯拟合来估算晶化率;XRD(PhilipsPANAlyticalX'pertwithCuKα,λ=0.1540598nm)分析沉积膜不同面的峰值强度,从而估计不同面的生长速度。在沉积过程中,采用SR-500型OES仪对反应的气相过程进行在线检测,其波长范围为200~800nm,扫描步长为0.05nm,分析不同放电条件下峰位在656,486和414nm附近的Hα、Hβ和SiH*发光强度。

3、结论

  本文采用Comsol中的等离子体模块和Chemkinpro中的AUROR模块相结合的方法,研究了甚文频PEVCD沉积μc-Si:H薄膜过程中放电功率对等离子体特性、气相反应和表面生长的影响,并与实验进行了比较。模拟结果显示,随着沉积功率的增加,电子浓度和电子温度同步增大,使气相中沉积前驱基团浓度增加,薄膜的沉积速率增大,(111)面的生长速率增强。同时,气相中SiH3/H比值随功率的降低,有助于薄膜晶相结构的生长,使薄膜中H含量降低和表面悬挂键数目增多,并且这些共同作用于晶粒尺寸的生长。同时模拟结果和实验能较好的吻合,说明该模拟方法能够用来分析和预测微晶硅薄膜的生长特性。

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