襯底H等離子體預處理時(shí)間對微晶硅薄膜生長(cháng)的影響
本文采用VHF-PECVD 技術(shù)制備了系列硅薄膜，通過(guò)橢圓偏振技術(shù)及拉曼測試手段研究了襯底表面預處理時(shí)間對微晶硅薄膜的微結構及其生長(cháng)的影響。實(shí)驗結果表明：隨襯底預處理時(shí)間（0~10 min）的延長(cháng)，薄膜的晶化率從14%提高到44%；薄膜表面的硅團簇尺寸減小，在襯底預處理10 min 時(shí)，薄膜表面的粗糙度較小。在襯底未預處理與預處理10 min 時(shí)，在相同的沉積參數下，沉積兩系列不同生長(cháng)階段硅薄膜的生長(cháng)指數接近。原因是H 等離子體預處理使襯底表面的原子氫增多，有利于成膜先驅物在襯底表面的遷移，影響薄膜的初期成核，使薄膜易于晶化。
微晶硅薄膜由于其優(yōu)良的光電特性，在薄膜晶體管和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的應用中，是極其具有吸引力的材料。通常微晶硅薄膜制備技術(shù)有射頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)（RF- PECVD）、熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)（HWCVD）和甚高頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)（ VHF- PECVD）。VHF- PECVD 由于與現有工業(yè)技術(shù)兼容性好，且具有電子密度高、電子溫度低等優(yōu)點(diǎn)，因此是最具發(fā)展潛力的技術(shù)。
通常，采用高氫稀釋是制備高晶化硅薄膜的有效方法，但高氫稀釋不但會(huì )增加制備薄膜的成本，而且會(huì )降低薄膜的沉積速率，而等離子體預處理襯底可以改善薄膜的初期成核，進(jìn)而改善薄膜的結構和性能，因此我們有興趣研究通過(guò)等離子體預處理襯底來(lái)優(yōu)化薄膜的生長(cháng)。
本文我們采用VHF- PECVD 技術(shù)在玻璃襯底上制備了系列硅薄膜，研究了H 等離子體預處理襯底不同時(shí)間對微晶硅薄膜的結構和生長(cháng)的影響。
1、實(shí)驗
采用VHF- PECVD 技術(shù)在玻璃襯底上制備了系列硅薄膜。氫等離子體預處理條件如下：氣壓300 Pa， 功率密度0.35 W/cm2， 總氣流量120 SCCM，預處理時(shí)間分別為0、5、10、30、50 min。硅薄膜沉積參數分別為：激發(fā)頻率75 MHz，電極間距1.5 cm，背景真空在4×10- 4 Pa 左右，襯底溫度220 ℃，硅烷濃度SC = [SiH4] / ([H2] + [SiH4]為3%，沉積氣壓200 Pa，氣體總流量150 SCCM。襯底未預處理與預處理10 min，沉積時(shí)間分別為10、13、15、20、25 min。
薄膜表面形貌觀(guān)察采用掃描電子顯微鏡（SEM）。薄膜微結構分析采用拉曼散射光譜儀（RS）和橢圓偏振光譜儀（SE）。橢偏光譜測量采用美國J.A. Woollam 公司生產(chǎn)的VASE 型橢偏譜儀，測量時(shí)入射角固定為70°， 在光譜波段范圍為240~1000 nm 內,以10 nm 為波長(cháng)間隔，測量得到薄膜的橢偏參數ψ 和Δ 值，使用WVASE32 軟件對數據進(jìn)行分析處理。
2、結果和討論
為了了解襯底H 等離子體預處理時(shí)間對微晶硅薄膜結構的影響，我們對襯底進(jìn)行H 等離子體預處理后，在同一沉積參數條件下沉積了等厚的微晶硅薄膜，并對樣品做了拉曼光譜和橢偏光譜測試。
圖1 為襯底H 等離子體預處理不同時(shí)間后，在其上沉積了5 min 的微晶硅薄膜的拉曼散射光譜。由圖1 可以看出，隨襯底預處理時(shí)間的延長(cháng)，薄膜的晶化率逐漸提高，預處理時(shí)間從0增加到10 min 時(shí)，晶化率從14%提高到44%，薄膜的微結構從接近非晶逐漸向微晶過(guò)度。
圖1 襯底H 等離子體預處理不同時(shí)間的微晶硅薄膜的拉曼散射光譜，薄膜厚度大約62~64 nm
圖2 為對襯底進(jìn)行H 等離子體預處理不同時(shí)間后，在其上分別沉積了5 min 的微晶硅薄膜的SEM 形貌。由圖2 可以看出，襯底未預處理時(shí)，薄膜的硅團簇顆粒較大，隨襯底預處理時(shí)間的增加，硅團簇顆粒尺寸逐漸減小，密度增大，當對襯底預處理時(shí)間為10 min 時(shí)，團簇顆粒較小，薄膜表面較為平整。產(chǎn)生上述現象的原因可能是適當H 等離子體預處理使襯底表面的原子氫增多，提高了成膜先驅物在襯底表面的遷移，有利于薄膜的初期成核，使薄膜易于晶化。
圖2 H等離子體預處理不同時(shí)間后沉積微晶硅薄膜的SEM形貌 圖3 襯底未預處理時(shí)沉積微晶硅薄膜的SE 光譜
為了了解襯底表面預處理時(shí)間對薄膜生長(cháng)行為的影響，我們對樣品做了橢圓偏振光譜測試，如圖3 所示。
