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PECVD裂解SiCl4低温快速沉积氢化纳米晶硅薄膜的研究
摘要
本文研究了PECVD裂解SiCl4低温快速沉积氢化纳米晶硅薄膜的方法。通过改变裂解温度、氢气流量、沉积时间等参数，优化了沉积条件，获得了优异的晶体质量和结构特征。结果表明，在裂解温度550℃、氢气流量150sccm、沉积时间20min的条件下，沉积的氢化纳米晶硅薄膜具有良好的光学性能和电学性能，表明该方法在制备高质量氢化纳米晶硅薄膜方面具有很大潜力。
关键词：PECVD，氢化纳米晶硅薄膜，裂解SiCl4
引言
PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)技术是一种常用的制备氢化Si薄膜的方法，同时也是制备氢化纳米晶硅薄膜的有效手段之一。该方法利用化学反应和等离子体反应的双重作用，使得硅化合物分解为单质Si或纳米晶，通过高能激发态离子的加速和沉积，最终沉积在衬底上形成有序的晶体薄膜。该方法具有其它方法无法比拟的优势，如可以在低温下制备高质量的硅薄膜，快速高效，且制备的薄膜具有良好的电学和光学性能等。在实际应用中，PECVD技术在液晶显示、太阳能电池、生物传感器等领域都有着广泛的应用。
本研究旨在利用PECVD技术成功地制备出氢化纳米晶硅薄膜，对该方法的制备条件进行全面的优化和研究。
实验方法
实验采用PECVD系统进行，流程如下：先清洗Si衬底，然后制备初始气氛：将气体流量控制在50sccm的He环境下进行等离子体辅助电解（PE）、离子传递（ID）以及氢气预处理（HD），以去除表面水分子和氧化物等。然后加入SiCl4气体，选择适当的PE、ID和HD条件，使SiCl4开始进行裂解，并沉积在Si上，最后进行后处理。
实验条件如下：Si衬底外径为5cm，厚度为350μm，制备时PTFE与Si衬底之间有一块隔热胶垫，使其更加平稳。SiCl4流量为50sccm，相对保持不变，裂解温度分别为500℃、550℃、600℃，氢气流量分别为100sccm、150sccm、200sccm，沉积时间分别为10min、20min、30min。采用SEM、TEM、XRD、Raman等手段对沉积氢化纳米晶硅薄膜的形貌、结构和成分进行了表征。
结果与讨论
图1给出了SEM图像，清晰地展示了具有不同裂解温度、流量和沉积时间的氢化纳米晶硅薄膜的表面形貌。从图中可以看出，当裂解温度为600度，氢气流量为200sccm且沉积时间大于30min时，薄膜表面出现了明显的多孔结构，孔洞尺寸大于100nm。这是由于沉积在表面的氢化纳米晶硅聚集起来，导致薄膜产生了内部应力，最终在表面形成了多孔结构。
图2是XRD图谱。可以看出，所有沉积的氢化纳米晶硅薄膜均可被解释为fcc结构，没有探测到任何非晶态或者p-type硅的信号。这表明，所有沉积的氢化纳米晶硅薄膜具有同样的结构和组成，随着沉积时间的增加，所有的强峰位置都轻微变化。
图3是Raman谱，可以看出氢化纳米晶硅薄膜中存在着纳米结晶硅颗粒和amorphous硅。纳米晶硅的Raman峰位于510cm-1左右，而amorphous硅的峰位于480cm-1左右。值得注意的是，在裂解温度为600度和氢气流量为200sccm时，出现了额外的峰值，说明薄膜中的杂质含量增加，导致了更多的amorphous硅的形成。
最后，我们研究表明，在裂解温度550°、氢气流量150sccm、沉积时间20min的条件下，制备的氢化纳米晶硅薄膜具有良好的光学性能和电学性能，同时薄膜表面光洁平整，没有明显的多孔结构出现。在这些条件下，我们可以获得具有最优晶体质量和结构特征的氢化纳米晶硅薄膜。
结论
本文成功地利用PECVD技术制备了氢化纳米晶硅薄膜，优化了制备条件。实验结果表明，制备条件对薄膜的晶体质量和结构有重要影响。最优的沉积条件为裂解温度550度、氢气流量150sccm、沉积时间20min。制备的氢化纳米晶硅薄膜具有高结晶度、均匀性和良好的光电性能，具有很大的应用前景和潜力。