VHF-PECVD沉积非晶硅材料的研究

功率密度 Ｗ／ ） 速率人 ） Ｍ ／ ℃） （ Ｃ Ｚ （ ｓ 光敏性 样品号 气压 （ ） Ｐ 硅烷浓度 衬底温度（ ａ
Ｍ １３ １ ２０ ６ ０ ６ ０ ｌ０ ８ １％ ２
１５ ８ ２７ ３ ２０ ５
０１ ．６ ０１ ．６ ０１ ．６
６６ ．
３１ Ｅ ０ ．５ ＋ ６ ６７ Ｅ ０ ．０ ＋ ４
补 ３１
结果与讨论
衬底温度对 ａ ｉ 薄膜的影响 －： ＳＨ 看出，随着温度的提高， 沉积速率也跟着提高。 这 如表 ３ 所示，从前两个样品可以 一１ 是因为衬底生长表面的各种离子、 原子团的迁移率随着温度的提高而增大， 反应发生的机会 但样品的光敏性也有所下降。 在调整了其它工艺参数后， 在高温下也可以获得 也就增大了， 个数量级的材料 （ 如样品Ｍ ３１ 所示） ００１ 。 光敏性在 ６
量 大于９７ ， 成Ｓ ： ．ｅ 而生 ｉ 所需的电 量为８ ５ 。 此， ４Ｖ Ｈ 子能 ．ｅ 因 在高电 温 ７Ｖ 子 度情况下，ｉ 的 Ｓ： Ｈ 产生率 对于Ｓ ， 加， 硅烷 物形成， 稳定性 相 ｉ 增 使 聚合 Ｈ 膜的 变差。 所以， 速 条 下 在高 沉积 件 ， 降 子 低电 温度是 提高ａ ｉ 膜稳 －： ＳＨ 定性的 必要条件［ １ １ ）
到６ 时， ％ 沉积速率也从２．Ａｓ １ ／ 快速下降到 ５３ 来自百度文库同时，样品的Ｒｍｎ ２ ． ｓ Ａ ／ ａ ａ 衍射峰位置
从 态的４９３ 移 １９ ｍ ， 显晶 由 上的 不 看出， 在保 较 非品 ７．ｃ 到５ ．ｃ 明 化。 以 分析 难 ４ ｍ， ４２ 为了 持
高的沉积速度的同时，提高材料的稳定性，应该采取适度的氢稀释。
ｐｅ ｓ ｆ（ｅ （ ｓ ｕｅｐ ）
图３ －３不同气压下 ａ ｉ －： Ｓ Ｈ薄膜的沉积速率
３ ． ４等离子体功率密度对 ａ ｉ －： ＳＨ薄膜的影响 固定衬底温度、 反应压强和硅烷浓度， 改变等离子体辉光功率密度， 沉积 ａ ｉ －： ＳＨ薄膜。 结果如图３ 所示。当功率密度提高时，沉积速率也随着提高。功率密度较低时，沉积速 －４ 率提高的很明显， 当进一步提高功率密度时， 沉积速率提高的就很少了。 这是由于， 当功率 密度较高时， 硅烷已 经接近充分分解， 再增加功率密度对于提高沉积速率的帮助就不明显了。
。 降 －： 膜的 量。２ 我 在实 只 适当 ， 低ａ ｉ ＳＨ薄 质 １ １ 所以 们 验中 是 提高压 在 沉积 的 强， 提高 速率 同
时，保证材料的稳定性。
． ｌｅ ： ￣签 它 口
．１ ｓｎｄｓ， ，１ ／＇０Ｈ １ ｉｅ ｔ ５ ０６ ｃ， ｚ」 ５ ｌ ｅｉ２ ＇ ． ｍ７ ％ ｎｙ ０ ａ Ｃ Ｗ Ｍ
有序 度提高。１ ［１ ， ３ 但这不是说， 硅烷浓 度越小越 当 好， 氢稀释到一定 度， 程 硅烷等离子 体中
占 主要地位的离子就会从较重的 Ｓ ３ ｉ＊ Ｈ 离子向 较轻的Ｈ 离子转变， ＇ 等离子体中的电子温度就 会增加，这是不利于高速生长高品质的非晶硅薄膜。Ｉ ｌ ｌ 我们固定反应气体压强、 衬底温度和功率密度，改变硅烷浓度，制备出的样品的沉积 速率如图３ 所示，样品的Ｒｍ ｎ －１ ａ ａ 衍射谱如图３ ２ － 所示。可以看出， 硅烷浓度由１％降 ５
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图３ 不同硅烷浓度下 ａ ｉ －１ －： ＳＨ薄膜的沉积速率 图３ 不同硅烷浓度下的Ｒ ｍ ｎ －２ ａ ａ 衍射谱 ３ ． ３反应气体压强对 ａ ｉ －： ＳＨ薄膜的影响 用辉光放电法制备 ａ ｉ －： ＳＨ膜时，气体压强也是影响薄膜质量的 一个重要因素。固定衬 底温度、硅烷浓度和功率密度，改变气体流量，对应的压强分别为６Ｐ， Ｐ 和 １０ａ ０ａ １０ａ ８Ｐ ， ２
材料。与 ｒＰ Ｃ Ｄ系统制备的样品相比，其沉积速率提高了 ２ 倍以上。将 Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ ｆＥ Ｖ － ５ Ｈ－ Ｃ Ｄ Ｐ 技术运用于太阳能电池的产业化，可以极大地提高电池的 产率，降低生产成本。
研究表明， 提高等离子体的激发频率和反应气体的压强可以降低电 子温度和提高电 子 密度， 而且自 动加在硅烷等离子体阴极上的直流自 偏压也随着频率的提高而降低， 这将减少 流向衬底的正离子的流量和能量， 使非晶硅材料受到的离子轰击减少，降低材料的缺陷 态．
０１ 采用Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ ． ２ 我们 Ｈ－ Ｃ Ｄ技术， Ｐ 在适当 压强和较高的 工作 氢稀释条件 研究了 沉 下， 不同 积
ｇｓＴ Ｏ ／ ／ｌｉ ｌｓ Ｃ ／ｉＡ， 速率 ０ Ａｓ 电 ａ／ ｐ ｎ ／ 层沉积 为２． ／ 池取得的 ９ 。 效率为３９ ； ． ２ 开路电 压为０８ ； ． １ Ｖ
短路电 流为 １． ；填充因子为０４。由于本沉积系统在设计上有很多不利于沉积电池的 ０３Ａ ０ ．７ 地方， 同时因为还是初步研究， 只做了３ 次电池方面的实验， 还有不少问题有待解决， 如界 面问题等，所以用 Ｖ Ｆ Ｈ 研制电 池还有很大的潜力。 使用ＶＦＰＣＤ 技术， Ｈ－ＥＶ 制备整个太阳电池的沉积时间只有 ８ 分钟左右。 而用 ｒ－ＰＣＤ ｆ ＥＶ 工艺制备相同厚度的电池，则需要 ６ 分钟左右。相比之下，速率提高了接近 ８ ０ 倍。也就是 说，如果将 ＶＦ Ｈ 运用在产业化，可以极大地提高太阳能电池的产率。
一般情况下，ａ ｉ 薄膜生长速率的增加，将伴随着其性能光致衰退效应的 －： ＳＨ 增大。 因 此如何高速沉积优质稳定的ａ ｉ －： ＳＨ材料成为当前研究的热点课题。
在等离子体增强化学气相沉积中，Ｓ Ｏ；分解生成的 Ｓ ， ２ Ｓ ３ ｉ Ｓ ． 等反应基团 Ｈ ｉ Ｈ ｉ Ｈ 都将 促进ａ ｉ －： ＳＨ膜的生长。一般认为Ｓ ３ Ｉ 根有利于生成优质稳定的ａ ｉ Ｈ －： ＳＨ膜， Ｓ ２ 将 而 ｉ 根 促 Ｈ 进高硅烷聚合物的形成，从而使生成的ａ ｉ －： ＳＨ膜稳定性变差。一般生成 Ｓ ２ ｉ 所需的电 Ｈ 子能
１ ５＋６ ． Ｅ ０ ２
９６ Ｅ ０ ．０ ＋ ５
６７ Ｅ ０ ．３ －５ ５３ Ｅ ０ ．３ －５ ９８ Ｅ ０ ．５ －５
１５＋６ ．Ｅ ０ ２
Ｍ０ ２ ２ １５
Ｍ０ ２ １ １８
１２ ．８ １６ ．
５． ３１
５． ３６
９５ Ｅ ０ ．２ 十 ５
２３ Ｅ ０ ．３ ＋ ６
２０ ５
３ ． ６用Ｖ Ｆ Ｈ 制备的 ａ ｉ －： ＳＨ在太阳能电池上的应用 在研究材料的基础上，我们用 Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ 初步研制了太阳能电池。电池结构为 Ｈ－ Ｃ Ｄ Ｐ
１％ ５ １％ ５ １％ ５ １％ ５ １％ ５ ２０ ５ ２０ ５ ２０ ５ ２０ ５
０４ ．４ ０６ ．４
１
３． ４２ ４． １８ ５． ０２
７４ Ｅ ０ ． －６ ４
７５ Ｅ ０ ．１ －５
５９ Ｅ １ ．５ －２ ７８ Ｅ １ ．１ －１ ５ Ｅ１ ３９ － １
５６ Ｅ Ｉ ．０ － １
４ ２ Ｅ－ １ ．３ １
光敏性保持在 ６ 个数量级或接近 ６ 个数量级。
气压 样品号
ＭＯ ５ １ １ ２ Ｍ １２ １ ２８ Ｍ０ ２ ２ １４ １０ ８
１０ ８ １０ ８ １０ ８
１０ ８
暗电导 衬底温度 功率密度 速率 光电导 ． ｍ）． ｃ ｍ） Ｗ／ ） Ａ ） Ｑ １ Ｓｃ ｍ ／ （ （ ｃ ２ （ ｓ （ ． ＿ （２ ， 光敏性 ℃） （ａ 硅烷浓度 Ｐ）
１ ．引言
非品硅太阳电池具有低成本优势，然而目 前仍存在的较低的稳定效率和较高的 制造成
本， 碍了 规 阻 其大 模应用。 薄 沉 率， 而 产 是降 产成 有 措 ， 提高 膜 积速 从 提高 率， 低生 本的 力 施
而Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ Ｈ － Ｃ Ｄ是一种最有发展 Ｐ 前景的高 速沉积技术。
１ ４ １
二
．１ 住 ‘ 下 ‘ 』口
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ｐ ． Ｉ ｉ ｗｃ ＇ ． ． ｌ ／ｍ７ ｄ ｌｌ －
图３ 不同等离子体功率密度下 ａ ｉ －４ －： ＳＨ薄膜的沉积速率
３ 优质ａＳ：材料沉积条件与性能参数 ． ５ －ｉＨ 综上所述，我们优化沉积条件，采用衬底温度 （５＇） ２０ ，合适的硅烷浓度 〔５ ， Ｃ １％） 适当的高气压 （８Ｐ） 获得了 １０ａ， 沉积速率从３． ／ 到５， ／ 的ａＳ：薄 ４２人Ｓ ３６人Ｓ －ｉＨ 膜材料， 其
２３１ （ 导为 ９５１５ 导为 ４３ｌ０ 射频 ．ｘ ６ 光电 ３ ０ ．ｘ ＇ ８ ０， 暗电 ．ｘ －） 与 等离子体 ２ Ｏ 。 增强化学 相 积 气 沉
（－ Ｃ Ｄ ｒＰ Ｖ ）系统制备的样品相比， ｆＥ 其光稳定性敏性相似，而沉积速率提高了２ 倍以 ５ 上。
关 词 非硅膜Ｖ－ 啤 光性沉速 键 ， 晶薄 ，ＨＰ ＦＣ 敏 】积 率 Ｅ
４ ．结论
综上所述， 我们采用 Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ Ｈ － Ｃ Ｄ技术和适当的高反应气体压力， Ｐ 有利于提高薄膜的 质量和沉积速率： 提高衬底温度可以 增大沉积速率； 较高的氢稀释可以提高非晶硅材料的稳
定 在合 沉积条 性。 适的 件下， 获得了 我们 沉积速率为５． 渺 ， ３ 人 光敏性大于１ 的 征ａ ｉ ６ ０ 本 －： ６ ＳＨ
Ｖ Ｆ ＥＶ Ｈ －Ｐ Ｃ Ｄ沉积非晶硅材料的研究
黄维海， 麦耀华， 付，薛俊明，孙健，任慧志，张德坤，耿新华 侯国 （ 南开大学光电 子薄膜器件与技术研究所， 夭津 ３０７） ００１
文摘
非晶硅薄膜的高速生长将极大地缩短生产时间， 降低生产成本。本文针对用甚高 频等 离子体增强化学气相沉积 （ Ｈ －ＰＣ Ｄ Ｖ Ｆ Ｅ Ｖ ）方法生长非晶硅薄膜材料进行了研究。 在合适 的沉积条件下，我们获得了沉积速率为 ５． ／ ａ ｉ 本征层材料， ３ 秒的 － ： ６人 ＳＨ 其光敏性高达
结果如图３ 所示。可以看到，沉积速率随着压强的提高而增大。 －３ 根据Ｐｓ ｎ ｅ 定律， ａｈ ｃ 一般来说， 反应气体压强取在放电曲线极小值的附近。 但是最近的 研究表明， 工作压力的增大，不但有利于在等离子体内部产生更多的离子，提高生长速率， 而且有助于降低电子和离子的温度，生成更少的 Ｓ ２ Ｍ ，提高了膜的性能。 但是，压强过大 时， 大量反应物的离子之间的碰撞， 也可能导致它们之间的聚合， 形成高硅烷聚合物 （ｉ， Ｓ ） Ｈ
１６ Ｅ十 ６ ．０ ０
Ｍ０ ２ １ １０
１％ ２ 巧％
１． ０５
１． ７２
Ｍ０ ０ １ ３１
３ ． ２硅烷浓度对 ａ ｉ －： ＳＨ薄膜的影响
非晶 光 硅材料的 致衰退是由 大 于 量缺陷 存在 态 而产生的， 减少缺陷态， 所以 使材料更
加有序化也是实现非晶硅材料稳定化的一个重要方法， 氢稀释的一个作用是加强氢的刻蚀作 用， 把那些连的不是很稳固的Ｓ Ｓ键刻蚀掉，以生成更加牢固的ｓ Ｓ键，使缺陷态减少， ｉｉ － ｉｉ －
条件下非晶硅簿膜沉积过程和薄膜特性，获得高速沉积器件质量级的硅基薄膜材料。
２ ．实验
ａｉ 征 薄 材料 在 室 续Ｖ Ｆ ＥＶ 统中 层 膜 是 三 连 Ｈ － Ｃ Ｄ系 生长的。 高 （ Ｆ 源 －： ＳＨ本 Ｐ 甚 频Ｖ ） Ｈ电
是４ 频段输出： ０ Ｈ ， Ｈ ， Ｈ ９Ｍ ｚ 功率２０ 实验用的衬底是７５玻 ６Ｍ ｚ ７Ｍ ｚ ８ ｚ、 ０ Ｈ ， ０ Ｏ Ｍ ０Ｗ． ０ ９ 璃， 极间 电 距为２ 。 ｃ 样品的 积 件： ｍ 沉 条 激发频 ０ Ｈ ， 率７Ｍ ｚ 辉光功率 密度０６ ． ／ ２ ． －１Ｗｃ ， １ ６ ｍ 反应气体压强６－１ Ｐ， ０ ８ ａ 硅烷浓度为６ ０ ％一１％，衬底温度为 １０ ５＇＞ ５ ５－２０ Ｃ
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