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(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)速率，薄膜中的氫含量和薄膜生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)機(jī)理的研究在薄膜的制備過(guò)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(zhǎng)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)程和薄膜沉積過(guò)程。但這些模擬大多只針對(duì)沉積過(guò)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(guò)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(méi)有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支撐。李艷陽(yáng)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(zhǎng)方面對(duì)甚高頻化學(xué)氣相沉積微晶硅薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，得出反應(yīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程的模擬。

　　在氣相反應(yīng)中，充分考慮了薄膜生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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�；�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(yáng)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(guó)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(lái)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(zhǎng)速度。在沉積過(guò)程中，采用SR-500型OES儀對(duì)反應(yīng)的氣相過(guò)程進(jìn)行在線檢測(cè)，其波長(zhǎng)范圍為200～800nm，掃描步長(zhǎng)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(guò)程中放電功率對(duì)等離子體特性、氣相反應(yīng)和表面生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)。同時(shí)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好的吻合，說(shuō)明該模擬方法能夠用來(lái)分析和預(yù)測(cè)微晶硅薄膜的生長(zhǎng)特性。