線形同軸耦合微波等離子體診斷及硅薄膜制備

李慧，吳愛民，2，3，張文蘭，陸文琪2，，秦福文2，，董闖，2（.大連理工大學材料科學與工程學院，遼寧大連602；2.大連理工大學三束材料改性教育部重點實驗室，遼寧大連602；3.大連理工大學常州研究院，江蘇常州236；.大連理工大學物理與光電工程學院，遼寧大連602）

線形同軸耦合微波等離子體診斷及硅薄膜制備

李慧1，吳愛民1，2，3，張文蘭4，陸文琪2，4，秦福文2，4，董闖1，2
（1.大連理工大學材料科學與工程學院，遼寧大連116024；2.大連理工大學三束材料改性教育部重點實驗室，遼寧大連116024；3.大連理工大學常州研究院，江蘇常州213164；4.大連理工大學物理與光電工程學院，遼寧大連116024）

開發(fā)了一種新型線形同軸耦合大面積微波等離子體源，針對該新型等離子體源放電空間等離子密度及分布的不明確性，利用朗繆爾單探針法研究了不同放電參數下該等離子體源等離子體密度及空間分布情況。以微波功率，氫氬總流量（氫氬流量比為3∶1）和距石英管的距離Z為3個因素設計正交實驗探究了宏觀放電參量對等離子體參數的影響。測試結果表明該型等離子體源的電子密度均在1010cm-3以上。其次，診斷了在距石英管Z為14 cm處，等離子體參數沿空間水平的分布情況，探究薄膜的最佳沉積區(qū)域。最后，根據等離子診斷情況進行硅薄膜的沉積，由XRD結果表明薄膜為多晶結構，拉曼光譜顯示沉積硅薄膜晶化率均在92%以上，沉積速率在8 nm／min。

線形同軸耦合微波等離子體；等離子體診斷；電子密度；多晶硅薄膜；拉曼；XRD

伴隨著微波等離子體在半導體薄膜材料制備中的應用，以及半導體薄膜材料尤其是液晶顯示材料和太陽能電池趨于大面積（＞30 cm2）化的發(fā)展，人們迫切需求一種大面積、均勻微波等離子體源。自20世紀90年代起，德國發(fā)展了一種新型微波等離子體源-線形微波等離子體源［1?4］，由于其產生等離子沿軸向呈線形分布得名。線形微波等離子由于其穩(wěn)定好，可控性強等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。本文使用的是通過引進德國脈沖微波系統(tǒng)與自主研發(fā)相結合設計的一套線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)，利用朗繆爾單探針法診斷線形同軸耦合微波等離子體的放電特性以及空間均勻性，并根據診斷情況指導硅薄膜沉積。

1 實驗設備

正圖1為線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)的結構示意圖。該系統(tǒng)主要由微波產生與控制系統(tǒng)、微波傳輸與模式轉換裝置、真空室、真空抽氣與控制系統(tǒng)、氣體輸入控制系統(tǒng)、樣品臺及控制系統(tǒng)、探針診斷系統(tǒng)以及微波等離子體激勵裝置等幾個部分組成。系統(tǒng)采用2個功率各為1.2 kW（連續(xù)模式）或3 kW（脈沖峰值功率）的完全一樣的磁控管來產生頻率為2.45 GHz的微波。經過波導和模式轉換裝置后，微波被耦合進入充有特定成分氣體的真空室。真空室由一個大真空室和一個疊加與其上面的方箱式小真空室組成，放電氣體由小真空室上方輸入腔室，吸收耦合微波能被分解。在小真空室裝有兩根石英管作為微波放電的介質窗。在這里，石英管外部產生的等離子體與作為微波發(fā)射天線的銅導體棒兩者一同構成了同軸波導，它不僅構成了微波負載，同時也起著傳輸微波能量的作用。通過調節(jié)輸入的微波的耦合程度以及氣體的壓力，可產生大面積、均勻等離子體。在等離子體下游區(qū)域導入介質氣源，氣體在微波等離子體作用下分解并在樣品臺上沉積、生長形成薄膜材料。系統(tǒng)配置的探針診斷系統(tǒng)可在等離子體上下游區(qū)移動，以診斷放電室等離子體的空間分布情況。

圖1 線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Scheme of linearly coaxially coupled microwave plasma system

2 等離子體放電特性診斷

2.1 不同宏觀放電參量對等離子體參數影響

本文應用Langmuir單探針法進行等離子診斷，該方法是使用最普遍的等離子體診斷方法，同時也是等離子診斷基本的工具之一［5?7］。

2.1.1 實驗設計

以微波功率、氫氬總流量（氫氬流量比固定為3）以及探針距石英管的距離Z為正交實驗的3個因素設計診斷實驗，表1為正交實驗因素水平表。

表1 線形同軸耦合微波等離子體放電特性診斷因素水平表Table1 Factor and level of diagnosis of the linearly coaxi?ally coupled microwave plasma

由線形同軸微波耦合等離子體系統(tǒng)結構的對稱性以及診斷設備的局限性，只診斷了沿石英管軸向放電腔室左側部分等離子的電子密度Ne分布情況。以大真空室中心位置為零點，以其俯視圖指向觀察窗方向為X軸正向，以沿兩石英管中間位置向左為Y軸正向建立直角坐標系進行診斷。放電氣體為氫氣和氬氣的混合氣，氫氣和氬氣流量比為3∶1。

2.1.2 實驗結果與分析

表2為線形同軸微波等離子體放電特性診斷正交實驗表。圖2九組正交實驗診斷得到的電子密度Ne分布圖。由圖2可以看出，沿兩石英管軸向中間位置電子密度Ne大部分在1010cm-3以上，并且在整個腔室中電子密度成“鐘”形分布。整體可以看出，隨著微波功率由500 W增加到1 000 W，等離子體電子密度Ne值由1×1010cm-3增加至3.5× 1010cm-3，增加幅度最大，說明在正交實驗的3個因素中，微波功率對電子密度Ne值大小影響最大。隨著微波功率的增加，腔室兩側微波能量耦合區(qū)域增加，則氣體粒子獲得能量增加，解離程度增大，從而等離子體電子密度氣Ne值增加。當微波功率不變化時，距石英管的距離Z對電子密度Ne分布的均勻性影響較大，且隨著距石英管的距離Z由5 cm增大至8.5 cm時，電子密度Ne分布均勻性愈來愈差，并且均勻性變化較大，在距石英管的距離Z為 5 cm時，電子密度Ne沿整個石英管軸向分布均勻，此時探針正處于小方形真空室的邊緣，說明在整個小方形真空室內電子密度分布均勻，但由圖2中可以看出，此處電子密度Ne值較小。由表2中腔室中心位置電子密度Ne由正交實驗極差法分析，腔室中心位置電子密度Ne的極差最大的因素是微波功率，極差最小的因素是氣體總流量，和圖2中電子密度Ne分布顯示結果相同。由此，通過調節(jié)微波功率和距離石英管的距離Z可以得到大面積、均勻的等離子體。

表2 線形同軸耦合微波等離子體放電特性診斷的正交實驗表Table2 Orthogonal experiment of diagnosis of the linearly coaxially coupled microwave plasma

圖2 電子密度Ne分布圖Fig.2 Distributions of electron density Ne

2.2 等離子體空間水平方向放電參數分布情況

2.1 節(jié)診斷了沿石英管軸向的等離子體電子密度Ne的分布情況，當微波功率為1 000 W，氫氬總流量為80 sccm，距石英管距離Z為7 cm時，電子密度Ne沿石英管軸向分布均勻性好。在本部分中，診斷了當微波功率為1 000 W，氫氬總流量為80 sccm，距石英管的距離為14 cm時，大真空室左半部分等離子體電子密度Ne沿空間水平的分布情況。我們診斷了腔室左側在距石英管Z為14 cm水平面上81個點處等離子體的電子密度Ne，圖3為電子密度Ne空間水平分布圖。

圖3 空間水平方向電子密度Ne分布圖Fig.3 Spatial horizontal distributions of electron den?sity Ne

由圖3可以看出，電子密度Ne沿石英管徑向成對稱分布。在腔室中心周圍一定區(qū)域（-2 cm＜Y＜2 cm， 0 cm＜X＜4 cm）內，電子密度Ne均在1×1010cm-3左右。且 Y 越接近4 cm時，電子密度Ne增大，由于兩石英管之間的距離為9 cm，當越接近石英管時，粒子吸收微波能量越大，氣體離解程度越高，電子密度Ne就越大。由于線性同軸微波耦合系統(tǒng)結構的對稱性可以得出，在微波功率為1 000 W，氫氬總流量為80 sccm，距石英管距離Z為14 cm時，電子密度Ne值在32 cm2方形區(qū)域均勻分布。

3 硅薄膜的制備

多晶硅薄膜太陽能電池憑借其高效、穩(wěn)定和大幅度降低成本等特點成為國內外研究的熱點，由此，多晶硅薄膜大面積、快速、高質量和低缺陷生長是技術關鍵。

由上述等離子體放電特性診斷得出在微波功率1 000 W，氫氬總流量為80 sccm，距石英管的距離Z為14 cm時沿水平方向電子密度Ne的分布情況。在本部分中根據診斷情況在（0，0）、（3，0）、（0，9）和（0，4）處沉積硅薄膜，實驗參數為：硅烷、氫氣、氬氣流量分別為10 sccm、60 sccm和10 sccm，其中硅烷為氬氣稀釋質量百分比為5%，襯底溫度250℃，微波功率1 000 W，沉積氣壓5.0 Pa，沉積時間60 min。

拉曼光譜是從聲子能量的角度判斷薄膜結晶特性的一種有效手段，圖4為3個位置樣品的拉曼圖譜，由圖中可以看出，（0，0）、（3，0）處樣品拉曼圖譜譜峰在518.475 cm-1（晶體硅的振動吸收峰）處，（9，0）處樣品拉曼圖譜譜峰在517.26 cm-1，（0，4）處樣品拉曼圖譜譜峰在519.363 cm-1，而4個樣品均在在480 cm-1（非晶硅的振動吸收峰）處沒有出現散射峰，則沉積薄膜均為晶體硅薄膜，且晶化程度高。

圖4 不同位置硅薄膜樣品的Raman圖譜Fig.4 Raman spectra of the silicon thin film samples at different sites

為了得出樣品的結晶狀況，對樣品的Raman光譜在480 cm-1，510 cm-1，520 cm-1處進行Gauss分解。由下式［8］計算出硅薄膜的晶化率：

如表3所示。其中I480、I510、I520分別指對應樣品的Raman光譜在480 cm-1、510 cm-1、520 cm-1處進行Gauss分解后，3個波峰的相對積分強度。

表3 不同位置硅薄膜樣品的晶化率Table3 The crystallinity of silicon thin film samples at dif?ferent sites

由表4可以看出，（0，0）、（3，0）和（0，4）處硅薄膜樣品的晶化率均在99%以上，在（9，0）處樣品的晶化率為92.54%，結合圖4呈現的結果可以看出，在（9，0）處等離子體電子密度較低，可見等離子體電子密度過低影響多晶硅薄膜的結晶性能。薄膜沉積速率在8 nm／min左右。為進一步探究薄膜生長結構，對4個樣品做了XRD表征，如圖5所示，由圖5可以看出四個樣品的XRD圖譜中均出現硅（111）面，硅（220）面和硅（311）面的特征峰，進一步證明了沉積薄膜為多晶硅薄膜，且晶粒尺寸在20 nm左右（如表4所示）。同時也證明前面等離子體診斷所給出的薄膜均勻沉積區(qū)的范圍是合理的。我們前期曾利用電子回旋共振（e?lectron cyclotron resonance，ECR）微波等離子體技術制備出高質量的（220）擇優(yōu)生長的多晶硅薄膜［9?10］，但，該技術沉積面積較低，很難在實際工業(yè)生產中應用推廣。本等離子體診斷和實際薄膜制備實驗表明我們新開發(fā)的同軸耦合微波等離子體技術可以實現大面積（可進一步擴大石英管陳列來實現）、快速、高質量制備多晶硅薄膜，這在太陽能電池及超大面積顯示技術領域有很好的應用前景。

圖5 不同位置硅薄膜樣品的XRD圖譜Fig.5 XRD spectra of the silicon thin film samples at different sites

4 結論

本文用朗繆爾單探針法診斷了線形同軸微波耦合等離子放電特性。

1）以微波功率，氫氬總流量和距石英管的距離Z為正交實驗的3個因素安排試驗并診斷研究，診斷結果可以看出，3個因素中，微波功率對電子密度Ne值影響較大，而距石英管的距離Z對等離子密度分布均勻性影響較大。當微波功率為1 000 W，氫氬總流量為80 sccm，距石英管的距離Z為7 cm時，電子密度Ne約為3.5×1010cm-3，且分布均勻。

2）進一步診斷了在距石英管距離Z為14 cm時，等離子體電子密度Ne和電子溫度Te沿空間水平方向的分布情況，得出電子密度Ne均勻區(qū)域為腔室中心32 cm2方形區(qū)域。

3）在微波功率1 000 W，氫氣流量為60 sccm，氬氣流量為10 sccm，硅烷流量為10 sccm和距石英管距離Z為14 cm條件下沉積硅薄膜，XRD結果顯示沉積薄膜均為多晶硅薄膜，Raman圖譜得出沉積薄膜的晶化率均在92%以上。薄膜沉積速率在8 nm／min左右。

可見，本文開發(fā)的同軸耦合微波等離子體技術可以實現大面積（可進一步擴大石英管陳列來實現）、快速、高質量制備多晶硅薄膜，這在太陽能電池及超大面積顯示技術領域有很好的應用前景。

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Diagnosis of linearly coaxially coupled microwave plasma and preparation of silicon thin films

LI Hui1，WU Aimin1，2，3，ZHANG Wenlan4，LU Wenq2，4，QIN Fuwen2，4，DONG Chuang1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.Key Laboratory of Mate?rials Modification by Laser，Ion and Electron Beams（Ministry of Education），Dalian University of Technology，Dalian 116024，Chi?na；3.Changzhou Institute，Dalian University of Technology，Changzhou 213164，China；4.School of Physics and Optoelectronic En?gineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

A new type of large area linearly coaxially coupled microwave plasma source has been developed.In order to obtain the plasma density and its special distribution of this new type of plasma source，Langmuir probe method is used to diagnose the discharge characteristics of the source under different discharge parameters.Three elements，in?cluding influence of microwave power，total gas flow（the discharge gas is the mixture of hydrogen and argon gases，while the flow ratio of hydrogen and argon gases is 3∶1）and the distance Z from the quartz tube were used to design orthogonal experiment.Therefore，the influence of macroscopic discharge parameters on plasma parameters is studied.The test result showed that the electron density of the plasma is above 1010cm-3.The horizontal distributions of plasma parameters at the position 14 cm away from the quartz tube were diagnosed to get the best region of films deposition.At last the silicon thin films were deposited according to the plasma diagnosis.An X?ray diffraction（XRD）spectrum shows silicon films of deposition are polycrystalline silicon thin films and the Raman spectra results revealed that the crystalline ratio of the films is above 92%and the deposition rate of the films is about 8 nm／min.

linearly coaxially coupled microwave plasma；plasma diagnosis；electron density；polycrystalline silicon thin films；Raman spectra；X?ray diffraction（XRD）

10.3969／j.issn.1006?7043.201311019

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1701.022.html

TN304.055

A

1006?7043（2015）03?0423?04

2013?11?08.網絡出版時間：2015?01?09.基金項目：江蘇省自然科學基金資助項目（BK2011252）；常州市工業(yè)

支撐計劃資助項目（CE20110012）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（DUT13JN08，DUT12JN02）.

李慧（1988?），女，碩士研究生；

吳愛民（1973?），男，副教授，博士生導師.

吳愛民，E?mail：aimin＠dlut.edu.cn.