内容发布更新时间 : 2024/5/18 18:07:03星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

图2 PECVD 沉积薄膜原理

3.2 PECVD具体过程

第一个过程主要为：在辉光放电条件下，由于硅烷等离子体中的电子具有几个eV以上的能量，因此H2和SiH4受电子的碰撞会发生分解，此类反应属于初级反应。若不考虑分解时的中间激发态，可以得到如下一些生成SiHm（m=0,1,2,3）与原子H的离解反应： e+SiH4→SiH2+H2+e (1) e+SiH4→SiH3+H+e (2) e+SiH4→Si+2H2+e (3) e+SiH4→SiH+H2+H+e (4) e+H2→2H+e (5)

按照基态分子的标准生产热计算，上述各离解过程(1)~(5)所需的能量依次为2.1、4.1、4.4、5.9eV 和4.5eV。

等离子体内的高能量电子还能够发生如下的电离反应： e+SiH4→SiH2++H2+2e (6) e+SiH4→SiH3++ H+2e (7) e+SiH4→Si++2H2+2e (8) e+SiH4→SiH++H2+H+2e (9)

以上各电离反应(6)~(9)需要的能量分别为11.9，12.3，13.6和15.3eV，由于反应能量的差异，因此(1)~(9)各反应发生的几率是极不均匀的。

此外，随反应过程(1)~(5)生成的SiHm也会发生下列的次级反应而电离，例如：

SiH+e→SiH++2e (10) SiH2+e→SiH2++2e (11) SiH3+e→SiH3++2e (12)

上述反应如果借助于单电子过程进行，大约需要12eV 以上的能量。鉴于通常制备硅基薄膜的气压条件下（10～100Pa），电子密度约为1010cm-3的弱电离等离子体中10eV以上的高能电子数目较少，累积电离的几率一般也比激发几率小，因此硅烷等离子体中，上述离化物的比例很小，SiHm的中性基团占支配地位，因为所需能量不同，SiHm的浓度按照SiH3，SiH2，Si，SiH的顺序递减。 第二个过程主要除上述的离解反应和电离反应之外，离子分子之间的次级反应也很重要：

SiH2++SiH4→SiH3++SiH3 (13)

因此，就离子浓度而言，SiH3+比SiH2+多。它可以说明在通常SiH4等离子体中SiH3+离子比SiH2+离子多的原因。

此外，还会发生由等离子体中氢原子夺取SiH4中氢的分子—原子碰撞反应： H+ SiH4→SiH3+H2 (14)

这是一个放热反应，也是形成乙硅烷Si2H6的前驱反应。当然上述基团不仅仅处于基态，在等离子体中还会被激励到激发态。

第三个过程中，硅烷等离子体中的离化基团只是在低气压高电离的等离子体条件下才对薄膜沉积有显著的贡献，在一般硅薄膜的沉积条件下，各种中性基团的含量远远大于离化基团，SiH4分解产生的中性基团是薄膜生长过程中最重要的活性物质。

由于薄膜生长表面的悬挂键通常都被H钝化，因此对于SiH2和SiH3等含氢的活性基团，表面反应必须经历吸收成键与放氢过程，并且放氢是这种反应中必不可少的过程。下面以SiH2说明这个过程： SiH2 + (Si-H) → (Si-SiH3*) (17) (Si-SiH3*) → (Si-SiH) + H2 (18)

(Si-SiH) + (Si-H) → (Si-Si-SiH2) (19)

其中，(17)式是生长表面的吸收成键过程，(18)式是放氢过程，(19)式是放氢后与邻近的Si-H 键结合构成新的生长表面的过程。

SiH3参与的过程与此相近，不同之处在于它被表面吸收的方式： (Si-H)+SiH3→(Si-)+ SiH4 (20) (Si-)+SiH3→ (Si-SiH3*) (21)

首先，SiH3基团通过(20)式的反应从钝化表面Si-H键中夺H，产生表面悬键Si-。由于SiH3基团有一个未配对的自旋电子，因此另外的SiH3基团容易被生长表面的悬键Si-吸收，发生(21)式所示的表面吸收成键过程。随后的放氢以及与Si-Si键合，同Si-H2基团沉积过程中的情况可以完全一样，但是也更容易通过相邻的(Si-SiH3*)之间的(Si-H)合并而实现。

PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温实现。 3.3PECVD种类

主要可以分为两类：直接式和间接式。直接式—基片位于一个电极上，直接接触等离子体样品或样品的支撑体就是电极的一部分。间接式—基片不接触激发电极，待沉积的样品在等离子区域之外，等离子体不直接打到样品表面，样品或其支撑体也不是电极的一部分。

图3 直接式的PECVD

图4 间接式的 PECVD

从大的方面来讲，直接PECVD法对样品表面有损伤，会增加表面少子的复合，但也正是由于其对表面的轰击作用，可以去除表面的一些自然氧化层，使表面的杂质原子得到抑制；另外直接法可以使得氢原子或氢离子更深入的进入多晶硅晶界中，使晶界钝化更充分。间接法不易损伤表面，短波响应较好，但是晶界钝化不好，长波响应稍差。

PECVD还具有钝化作用，主要体现在两个方面：体内钝化和表面钝化。体内钝化—亚表面：PECVD沉积a-Si:H时，钝化晶硅亚表面内部晶界悬挂键，降低复合。表面钝化：沉积a-Si薄膜前，采用H2等离子体预处理，有效降低晶硅表面悬键，提供良好的a-Si界面性能。

4 CVD实际应用

4.1PECVD的应用

随着社会经济的发展，能源危机和环境污染问题已成为人类面临的最迫切需

要解决的问题。太阳能清洁、无污染、取之不尽用之不竭，太阳能发电技术可以将太阳光的辐射能直接转换为电能，是目前可再生能源技术领域中发展最快、最有前途的技术之一。目前80%以上的太阳能电池由晶体硅材料制备而成，制备高效率、低成本的晶体硅太阳能电池对于大规模利用太阳能发电有着重要的意义，其中，等离子体增强化学气相沉积是制备高效晶体硅太阳能电池的关键设备[7]。

有实验在研究太阳能电池窗口层材料硼掺杂的氢化非晶硅氧时，就应用到了PECVD设备。整个实验把制备的硼掺杂的氢化非晶硅氧和氢化非晶硅进行了比