薄膜生长.doc

摘要：最简单的相图就是把从非晶到非/微晶混合状态的转变和薄膜的累积厚度(非晶到非晶/微晶)联系起来。非晶硅的本征层的最优化是在H2/SiH4最大比例处获得的，同时这个比值要求薄膜不会转变到非晶/微晶混合状态。在RE-PECVD高速沉积的最佳化非晶硅薄膜要求薄膜的厚度足够大，此时的膜厚刚好开始向非晶/微晶转变。 介绍 最佳的非晶硅薄膜是在R=H2/SiH4最大处获得的，此时的R要保证薄膜不会转变到非晶/微晶混合状态。而最佳的微晶硅薄膜i层是在R值最小，此时的R要保证薄膜不会变成非晶。所以对于非晶和微晶的这个界限的研究变得十分重要。 相图描述的是累积厚度和薄膜微观结构和相转变的关系。过渡厚度为某一关键的沉积参数的连续函数。低温PECVD中，R经常作为横坐标，这是因为R低时，薄膜为非晶，R高时，薄膜为微晶。其他的沉积参数比如：衬底温度、气压。R的变化范围宽时，我们可以观察到微晶硅的成核从非晶相的生长到相变随着R的增到而降低。所造成的结果是从非晶到非晶/微晶的转变过程不是垂直的，而是一个斜率为负的斜坡(横坐标为R)，纵坐标为db(bulk层厚度)。这反而说明非晶和微晶i层的最优化和所期望的i层的厚度有很大的关系。 相图引出了protocrystalline这一概念，特征如下： (1) protocrystalline的生长状态是非晶开始沉积，但是考虑到足够的沉积厚度，微晶从非晶相成核。因此，生长的薄膜将会从开始的非晶/微晶混合状态变为单纯的微晶相。很显然，一旦监测到从非晶向非晶/微晶转变，生长的材料就不再被看做是protocrystalline (2) protocrystalline的生长状态的第二个特征是：生长的材料的相很大程度上依赖于衬底。如果硅薄膜生长在protocrystalline状态，而衬底完全为非晶(比如R=0)，那么同样的条件可能会生产纯微晶硅薄膜(衬底为微晶硅薄膜)。因此，在protocrystalline生长条件下，局部外延在c-Si(单晶硅)衬底上更容易发生；然而，在非晶衬底上微晶的成核将会被压制。因为这个原因，在没有非晶夹层的情况下，不能直接在微晶p层(p-i-n)和n层(n-i-p)上沉积protocrystalline i层。 (3) protocrystalline的生长状态的第三个特征是：提高了晶核聚集的程度，晶核的聚集发生在非晶硅薄膜最平滑的表面处。因此，在protocrystalline生长条件下的间断的绝缘体是最尖锐的。 另外，最优化RF等离子体功率条件下，protocrystalline材料有着独一无二的光电特性。氢化protocrystalline的光学带隙比常规的材料要大，而且随着R的增长而增大。这表明受激电子和空穴在带隙中的弛豫时间是最长的。很明显，这些空洞对于电学特性不是有害的。氢化protocrystalline的最重要的特性是其在光照下产生的衰退较小。事实上，室温下，1太阳光照下，20-50h后，依然稳定，而常规的材料在超过几百小时后，会出现持续衰退。 在此篇文章中，通过RTSE提出相图，从而说明非晶硅的沉积过程及确定protocrystalline的生长状态。尤其是提出了一个新的方法来说明薄膜的结构的演变，包括晶化量、表面粗糙度层厚度，因为薄膜通过非晶到非晶/微晶转变界限，变成了非晶/微晶混合生长状态。通过相图来提出一个在不同沉积条件下材料和设计方案优化的系统性的方法。在制备期望的protocrystalline薄膜特性时，研究了沉积参数比如辉光功率、衬底温度、气压对相图的影响。总的来说，此次研究的目的是优化RF-PECVD制备非晶硅薄膜的过程来产生高性能、高稳定性、高沉积速率的i层。 氢化硅薄膜的微观结构和相转变 2.1综述 图1为覆盖层表面覆盖层粗糙层厚度ds和bulk层厚度db的关系。 沉积包括(a)两个i层，R=0和R=10，在沉积过程中仍然为单纯的非晶相；(b)i层，R=20，经过了三个生长状态的演变：第一个阶段是单纯的非晶，然后是非晶/微晶的混合状态，最后是单纯的微晶。衬底都为单晶硅(含有完整的氧化物)，在T=200℃下制备。P=0.08W/cm2，随着R的变化，硅烷的分压从0.03-0.07Torr；因此，R=0时，总气压p=0.07Torr，R=40，p=0.9Torr.R=0，沉积速率1.2A/s；R=10，沉积速率0.5A/s. 图(a)中，R=0，db大约250A时，粗糙度最低，但是薄膜的相没有发生变化。说明还是非晶状态。高功率下，粗糙层的厚度增长更加明显。图(b)中，粗糙开始于db=300A，此时从非晶向非晶/微晶转变；当db=1900A时，开始变得平滑，即从非晶/微晶向微晶转变。R=10，当db100A后，表面变得稳定，此时刚开始的晶核