甚高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)是當(dāng)前高速制備優(yōu)質(zhì)微晶硅(μc-Si:H)薄膜的主流方法，其生長機(jī)理也一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文采用Comsol軟件中的等離子模塊和Chemkin軟件中的AUROR模塊相結(jié)合的方法，對(duì)H2和SiH4混合氣體等離子體放電、氣相反應(yīng)和表面生長過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了沉積功率對(duì)μc-Si:H薄膜沉積速率和結(jié)構(gòu)特性的影響。首先，通過一維的放電模型，獲得電子溫度和電濃度等等離子體參數(shù)。隨后，將該參數(shù)帶入氣相和表面反應(yīng)模型，得到各種粒子的氣相濃度和薄膜的特性參數(shù)。模擬過程涉及24個(gè)電子碰撞反應(yīng)、42個(gè)氣相反應(yīng)和43個(gè)表面反應(yīng)。同時(shí)利用光發(fā)射譜對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中等離子輝光特性進(jìn)行了在線檢測(cè)，并制備了實(shí)驗(yàn)樣品。將模擬的SiH3基團(tuán)、H原子的氣相濃度以及它們的比值，生長速率，薄膜中的氫含量和薄膜生長取向等同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)能夠較好的吻合。

　　氫化微晶硅(μc-Si:H)薄膜具有高的光、電穩(wěn)定性，和非晶硅薄膜相同的制備工藝，良好的長波響應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn);特別是可以和非晶硅薄膜相結(jié)合構(gòu)成疊層電池，進(jìn)一步提高電池的轉(zhuǎn)換效率。微晶硅薄膜生長機(jī)理的研究在薄膜的制備過程中對(duì)調(diào)控微結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電池性能等方面具有重要意義。但是由于μc-Si:H薄膜的生長是個(gè)復(fù)雜的過程，且對(duì)等離子體監(jiān)測(cè)的設(shè)備費(fèi)用昂貴，并且需要的周期較長，因此如能結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬的方法分析各個(gè)沉積參數(shù)對(duì)薄膜沉積過程的影響，將對(duì)實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義。Bhandarkar等和Bleecker等對(duì)硅烷等離子中大分子氣相團(tuán)簇的形成原因進(jìn)行模擬，Nienhuis等采用一維流體模型對(duì)SiH4-H2等離子體放電進(jìn)行了模擬，Zhang等采用二維流體模型研究了微晶硅的等離子放電過程和薄膜沉積過程。但這些模擬大多只針對(duì)沉積過程的某一個(gè)環(huán)節(jié)，且與實(shí)驗(yàn)的比較僅限于薄膜的沉積速率，不能揭示沉積參數(shù)與薄膜特性間的關(guān)系。Satake等對(duì)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法沉積μc-Si:H薄膜的整個(gè)過程進(jìn)行了模擬，并對(duì)薄膜特性進(jìn)行了分析，遺憾的是沒有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支撐。李艷陽采用Comsol軟件對(duì)H2氣放電進(jìn)行了模擬，其結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好的吻合�；�于此，本文首先采用Comsol軟件對(duì)氫氣和硅烷混合氣體進(jìn)行等離子體特征模擬，求得電子溫度和電子濃度等參量，然后運(yùn)用Chemkin中的AURORA模塊，在腔體氣相反應(yīng)和表面生長方面對(duì)甚高頻化學(xué)氣相沉積微晶硅薄膜的生長過程進(jìn)行了模擬，得出反應(yīng)過程中各反應(yīng)基團(tuán)的含量、薄膜沉積速率、薄膜中氫的含量等;采用SR-500型光發(fā)射譜(OES)儀對(duì)氣相反應(yīng)過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并將制備的微晶硅薄膜與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1、模型和實(shí)驗(yàn)

　　1.1、模型和參數(shù)

　　首先采用Comsol軟件中的CCP模塊，通過電子與H2、H原子、SiH4的各種彈性碰撞、激發(fā)、電離等截面，建立一維模型對(duì)硅烷和氫氣混合氣體等離子放電進(jìn)行模擬，模型中涉及24個(gè)反應(yīng)方程。在求得平均電子溫度、電子濃度的基礎(chǔ)上，利用Chemkin中的AURORA模塊進(jìn)行氣相和表面反應(yīng)過程的模擬。

　　在氣相反應(yīng)中，充分考慮了薄膜生長前驅(qū)物在表面的吸附反應(yīng)、H原子的脫附與插入反應(yīng)、表面吸附基團(tuán)間的鍵連反應(yīng)、以及刻蝕反應(yīng)等對(duì)薄膜生長的重要作用和對(duì)薄膜質(zhì)量的影響，涉及多種分子(SiH4H2，Si2H6，SI3H8，Si4H10，SI5H12，SI6H14)和中性基團(tuán)(SiH3，SiH2，SiH，H3SiSiH，Si2H5，Si3H7，Si4H9，H)。采用的襯底為硅襯底，Si(100)和Si(111)面的面密度分別為1.12×10^-9 mol/cm2和1.3×10^-9 mol/cm2。表面反應(yīng)過程中性基團(tuán)在硅襯底上吸附生成11種表面吸附基團(tuán)，例如SiH3(s)、SiH2(s)、SiH(s)等，在軟件中表示為SHHH(s)，SSHH(s)、SSSH(s)。生長表面的Si懸掛鍵可分為單鍵SSSD(s)和雙鍵SSDD(s)。體相基團(tuán)包含Si、SiH和SiH2，表示為SSSS(B)，SSSH(B)，SSHH(B)三種。基于上述，共選擇了42個(gè)氣相反應(yīng)[6，10]和43個(gè)表面反應(yīng)方程，其中氣體溫度為400K，表面溫度固定在493K。

　　1.2、實(shí)驗(yàn)

　　在薄膜沉積實(shí)驗(yàn)中，頻率固定在75MHz，流量為100ml/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，硅烷濃度為3%，表面溫度為493K，極板間距為1.5cm，反應(yīng)極板面積為78.5cm2，反應(yīng)壓強(qiáng)為2.66×10²Pa，功率的變化范圍為30～70W。所有樣品都是在沈陽科學(xué)儀器廠研制的高真空四室連續(xù)PECVD系統(tǒng)的本征室制備的，高頻電源為英國CoaxialPowersystems公司RFA300Wb系列。反應(yīng)氣體為硅烷和高純氫氣的混合氣體;襯底為普通玻璃;用分光光度計(jì)(日本島津UV23100)測(cè)量微晶硅薄膜的厚度;用拉曼光譜儀(Renishaw2000)表征材料的結(jié)晶狀況，并對(duì)譜線進(jìn)行了三峰高斯擬合來估算晶化率;XRD(PhilipsPANAlyticalX'pertwithCuKα，λ=0.1540598nm)分析沉積膜不同面的峰值強(qiáng)度，從而估計(jì)不同面的生長速度。在沉積過程中，采用SR-500型OES儀對(duì)反應(yīng)的氣相過程進(jìn)行在線檢測(cè)，其波長范圍為200～800nm，掃描步長為0.05nm，分析不同放電條件下峰位在656，486和414nm附近的Hα、Hβ和SiH*發(fā)光強(qiáng)度。

3、結(jié)論

　　本文采用Comsol中的等離子體模塊和Chemkinpro中的AUROR模塊相結(jié)合的方法，研究了甚文頻PEVCD沉積μc-Si:H薄膜過程中放電功率對(duì)等離子體特性、氣相反應(yīng)和表面生長的影響，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較。模擬結(jié)果顯示，隨著沉積功率的增加，電子濃度和電子溫度同步增大，使氣相中沉積前驅(qū)基團(tuán)濃度增加，薄膜的沉積速率增大，(111)面的生長速率增強(qiáng)。同時(shí)，氣相中SiH3/H比值隨功率的降低，有助于薄膜晶相結(jié)構(gòu)的生長，使薄膜中H含量降低和表面懸掛鍵數(shù)目增多，并且這些共同作用于晶粒尺寸的生長。同時(shí)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好的吻合，說明該模擬方法能夠用來分析和預(yù)測(cè)微晶硅薄膜的生長特性。