线形同轴耦合微波等离子体诊断及硅薄膜制备

李慧，吴爱民，2，3，张文兰，陆文琪2，，秦福文2，，董闯，2（.大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连602；2.大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，辽宁大连602；3.大连理工大学常州研究院，江苏常州236；.大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁大连602）

线形同轴耦合微波等离子体诊断及硅薄膜制备

李慧1，吴爱民1，2，3，张文兰4，陆文琪2，4，秦福文2，4，董闯1，2
（1.大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连116024；2.大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，辽宁大连116024；3.大连理工大学常州研究院，江苏常州213164；4.大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁大连116024）

开发了一种新型线形同轴耦合大面积微波等离子体源，针对该新型等离子体源放电空间等离子密度及分布的不明确性，利用朗缪尔单探针法研究了不同放电参数下该等离子体源等离子体密度及空间分布情况。以微波功率，氢氩总流量（氢氩流量比为3∶1）和距石英管的距离Z为3个因素设计正交实验探究了宏观放电参量对等离子体参数的影响。测试结果表明该型等离子体源的电子密度均在1010cm-3以上。其次，诊断了在距石英管Z为14 cm处，等离子体参数沿空间水平的分布情况，探究薄膜的最佳沉积区域。最后，根据等离子诊断情况进行硅薄膜的沉积，由XRD结果表明薄膜为多晶结构，拉曼光谱显示沉积硅薄膜晶化率均在92%以上，沉积速率在8 nm／min。

线形同轴耦合微波等离子体；等离子体诊断；电子密度；多晶硅薄膜；拉曼；XRD

伴随着微波等离子体在半导体薄膜材料制备中的应用，以及半导体薄膜材料尤其是液晶显示材料和太阳能电池趋于大面积（＞30 cm2）化的发展，人们迫切需求一种大面积、均匀微波等离子体源。自20世纪90年代起，德国发展了一种新型微波等离子体源-线形微波等离子体源［1⁃4］，由于其产生等离子沿轴向呈线形分布得名。线形微波等离子由于其稳定好，可控性强等优点，具有广阔的应用前景。本文使用的是通过引进德国脉冲微波系统与自主研发相结合设计的一套线形同轴耦合微波等离子体系统，利用朗缪尔单探针法诊断线形同轴耦合微波等离子体的放电特性以及空间均匀性，并根据诊断情况指导硅薄膜沉积。

1 实验设备

正图1为线形同轴耦合微波等离子体系统的结构示意图。该系统主要由微波产生与控制系统、微波传输与模式转换装置、真空室、真空抽气与控制系统、气体输入控制系统、样品台及控制系统、探针诊断系统以及微波等离子体激励装置等几个部分组成。系统采用2个功率各为1.2 kW（连续模式）或3 kW（脉冲峰值功率）的完全一样的磁控管来产生频率为2.45 GHz的微波。经过波导和模式转换装置后，微波被耦合进入充有特定成分气体的真空室。真空室由一个大真空室和一个叠加与其上面的方箱式小真空室组成，放电气体由小真空室上方输入腔室，吸收耦合微波能被分解。在小真空室装有两根石英管作为微波放电的介质窗。在这里，石英管外部产生的等离子体与作为微波发射天线的铜导体棒两者一同构成了同轴波导，它不仅构成了微波负载，同时也起着传输微波能量的作用。通过调节输入的微波的耦合程度以及气体的压力，可产生大面积、均匀等离子体。在等离子体下游区域导入介质气源，气体在微波等离子体作用下分解并在样品台上沉积、生长形成薄膜材料。系统配置的探针诊断系统可在等离子体上下游区移动，以诊断放电室等离子体的空间分布情况。

图1 线形同轴耦合微波等离子体系统结构示意图Fig.1 Scheme of linearly coaxially coupled microwave plasma system

2 等离子体放电特性诊断

2.1 不同宏观放电参量对等离子体参数影响

本文应用Langmuir单探针法进行等离子诊断，该方法是使用最普遍的等离子体诊断方法，同时也是等离子诊断基本的工具之一［5⁃7］。

2.1.1 实验设计

以微波功率、氢氩总流量（氢氩流量比固定为3）以及探针距石英管的距离Z为正交实验的3个因素设计诊断实验，表1为正交实验因素水平表。

表1 线形同轴耦合微波等离子体放电特性诊断因素水平表Table1 Factor and level of diagnosis of the linearly coaxi⁃ally coupled microwave plasma

由线形同轴微波耦合等离子体系统结构的对称性以及诊断设备的局限性，只诊断了沿石英管轴向放电腔室左侧部分等离子的电子密度Ne分布情况。以大真空室中心位置为零点，以其俯视图指向观察窗方向为X轴正向，以沿两石英管中间位置向左为Y轴正向建立直角坐标系进行诊断。放电气体为氢气和氩气的混合气，氢气和氩气流量比为3∶1。

2.1.2 实验结果与分析

表2为线形同轴微波等离子体放电特性诊断正交实验表。图2九组正交实验诊断得到的电子密度Ne分布图。由图2可以看出，沿两石英管轴向中间位置电子密度Ne大部分在1010cm-3以上，并且在整个腔室中电子密度成“钟”形分布。整体可以看出，随着微波功率由500 W增加到1 000 W，等离子体电子密度Ne值由1×1010cm-3增加至3.5× 1010cm-3，增加幅度最大，说明在正交实验的3个因素中，微波功率对电子密度Ne值大小影响最大。随着微波功率的增加，腔室两侧微波能量耦合区域增加，则气体粒子获得能量增加，解离程度增大，从而等离子体电子密度气Ne值增加。当微波功率不变化时，距石英管的距离Z对电子密度Ne分布的均匀性影响较大，且随着距石英管的距离Z由5 cm增大至8.5 cm时，电子密度Ne分布均匀性愈来愈差，并且均匀性变化较大，在距石英管的距离Z为 5 cm时，电子密度Ne沿整个石英管轴向分布均匀，此时探针正处于小方形真空室的边缘，说明在整个小方形真空室内电子密度分布均匀，但由图2中可以看出，此处电子密度Ne值较小。由表2中腔室中心位置电子密度Ne由正交实验极差法分析，腔室中心位置电子密度Ne的极差最大的因素是微波功率，极差最小的因素是气体总流量，和图2中电子密度Ne分布显示结果相同。由此，通过调节微波功率和距离石英管的距离Z可以得到大面积、均匀的等离子体。

表2 线形同轴耦合微波等离子体放电特性诊断的正交实验表Table2 Orthogonal experiment of diagnosis of the linearly coaxially coupled microwave plasma

图2 电子密度Ne分布图Fig.2 Distributions of electron density Ne

2.2 等离子体空间水平方向放电参数分布情况

2.1 节诊断了沿石英管轴向的等离子体电子密度Ne的分布情况，当微波功率为1 000 W，氢氩总流量为80 sccm，距石英管距离Z为7 cm时，电子密度Ne沿石英管轴向分布均匀性好。在本部分中，诊断了当微波功率为1 000 W，氢氩总流量为80 sccm，距石英管的距离为14 cm时，大真空室左半部分等离子体电子密度Ne沿空间水平的分布情况。我们诊断了腔室左侧在距石英管Z为14 cm水平面上81个点处等离子体的电子密度Ne，图3为电子密度Ne空间水平分布图。

图3 空间水平方向电子密度Ne分布图Fig.3 Spatial horizontal distributions of electron den⁃sity Ne

由图3可以看出，电子密度Ne沿石英管径向成对称分布。在腔室中心周围一定区域（-2 cm＜Y＜2 cm， 0 cm＜X＜4 cm）内，电子密度Ne均在1×1010cm-3左右。且 Y 越接近4 cm时，电子密度Ne增大，由于两石英管之间的距离为9 cm，当越接近石英管时，粒子吸收微波能量越大，气体离解程度越高，电子密度Ne就越大。由于线性同轴微波耦合系统结构的对称性可以得出，在微波功率为1 000 W，氢氩总流量为80 sccm，距石英管距离Z为14 cm时，电子密度Ne值在32 cm2方形区域均匀分布。

3 硅薄膜的制备

多晶硅薄膜太阳能电池凭借其高效、稳定和大幅度降低成本等特点成为国内外研究的热点，由此，多晶硅薄膜大面积、快速、高质量和低缺陷生长是技术关键。

由上述等离子体放电特性诊断得出在微波功率1 000 W，氢氩总流量为80 sccm，距石英管的距离Z为14 cm时沿水平方向电子密度Ne的分布情况。在本部分中根据诊断情况在（0，0）、（3，0）、（0，9）和（0，4）处沉积硅薄膜，实验参数为：硅烷、氢气、氩气流量分别为10 sccm、60 sccm和10 sccm，其中硅烷为氩气稀释质量百分比为5%，衬底温度250℃，微波功率1 000 W，沉积气压5.0 Pa，沉积时间60 min。

拉曼光谱是从声子能量的角度判断薄膜结晶特性的一种有效手段，图4为3个位置样品的拉曼图谱，由图中可以看出，（0，0）、（3，0）处样品拉曼图谱谱峰在518.475 cm-1（晶体硅的振动吸收峰）处，（9，0）处样品拉曼图谱谱峰在517.26 cm-1，（0，4）处样品拉曼图谱谱峰在519.363 cm-1，而4个样品均在在480 cm-1（非晶硅的振动吸收峰）处没有出现散射峰，则沉积薄膜均为晶体硅薄膜，且晶化程度高。

图4 不同位置硅薄膜样品的Raman图谱Fig.4 Raman spectra of the silicon thin film samples at different sites

为了得出样品的结晶状况，对样品的Raman光谱在480 cm-1，510 cm-1，520 cm-1处进行Gauss分解。由下式［8］计算出硅薄膜的晶化率：

如表3所示。其中I480、I510、I520分别指对应样品的Raman光谱在480 cm-1、510 cm-1、520 cm-1处进行Gauss分解后，3个波峰的相对积分强度。

表3 不同位置硅薄膜样品的晶化率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）处硅薄膜样品的晶化率均在99%以上，在（9，0）处样品的晶化率为92.54%，结合图4呈现的结果可以看出，在（9，0）处等离子体电子密度较低，可见等离子体电子密度过低影响多晶硅薄膜的结晶性能。薄膜沉积速率在8 nm／min左右。为进一步探究薄膜生长结构，对4个样品做了XRD表征，如图5所示，由图5可以看出四个样品的XRD图谱中均出现硅（111）面，硅（220）面和硅（311）面的特征峰，进一步证明了沉积薄膜为多晶硅薄膜，且晶粒尺寸在20 nm左右（如表4所示）。同时也证明前面等离子体诊断所给出的薄膜均匀沉积区的范围是合理的。我们前期曾利用电子回旋共振（e⁃lectron cyclotron resonance，ECR）微波等离子体技术制备出高质量的（220）择优生长的多晶硅薄膜［9⁃10］，但，该技术沉积面积较低，很难在实际工业生产中应用推广。本等离子体诊断和实际薄膜制备实验表明我们新开发的同轴耦合微波等离子体技术可以实现大面积（可进一步扩大石英管陈列来实现）、快速、高质量制备多晶硅薄膜，这在太阳能电池及超大面积显示技术领域有很好的应用前景。

图5 不同位置硅薄膜样品的XRD图谱Fig.5 XRD spectra of the silicon thin film samples at different sites

4 结论

本文用朗缪尔单探针法诊断了线形同轴微波耦合等离子放电特性。

1）以微波功率，氢氩总流量和距石英管的距离Z为正交实验的3个因素安排试验并诊断研究，诊断结果可以看出，3个因素中，微波功率对电子密度Ne值影响较大，而距石英管的距离Z对等离子密度分布均匀性影响较大。当微波功率为1 000 W，氢氩总流量为80 sccm，距石英管的距离Z为7 cm时，电子密度Ne约为3.5×1010cm-3，且分布均匀。

2）进一步诊断了在距石英管距离Z为14 cm时，等离子体电子密度Ne和电子温度Te沿空间水平方向的分布情况，得出电子密度Ne均匀区域为腔室中心32 cm2方形区域。

3）在微波功率1 000 W，氢气流量为60 sccm，氩气流量为10 sccm，硅烷流量为10 sccm和距石英管距离Z为14 cm条件下沉积硅薄膜，XRD结果显示沉积薄膜均为多晶硅薄膜，Raman图谱得出沉积薄膜的晶化率均在92%以上。薄膜沉积速率在8 nm／min左右。

可见，本文开发的同轴耦合微波等离子体技术可以实现大面积（可进一步扩大石英管陈列来实现）、快速、高质量制备多晶硅薄膜，这在太阳能电池及超大面积显示技术领域有很好的应用前景。

［1］PETASCH W，RAUCHLEA E，MUEGGE H，et al.Duo⁃plasmaline-a linearly extended homogeneous low pressure plasma source［J］.Surface and Coatings Technology，1997，93（1）：112⁃118.

［2］KAISER M，BAUMGARTNERK M，SCHULZA，et al.Line⁃arly extended plasma source for large⁃scale applications［J］.Surface and Coatings Technology，1999，116⁃119：552⁃557.

［3］RUCHLE E.Dou⁃plasamaline-a surface wave sustained line⁃arly extended discharge［J］.J PhysⅣFrance，1988，8（7）：99⁃108.

［4］KAISEM，URBAN H，EMMIERICH R，et al.A new linearly extended bifocal microwave plasma device［J］.Surface and Coatings Technology，2001，142⁃144：939⁃942.

［5］MOTT S H.The theory of collectors in gaseous discharges［J］.Phys Rev，1926，28（4）：727.

［6］FEICHTINGER J，SCHULZ A，WALKER M，et al.Steril⁃isation with low⁃pressure microwave plasmas［J］.Surface and Coatings Technology，2003，9⁃10：564⁃569.

［7］DOGGETT B，BUDTZJ C，LUNNEY J G，et al.Behaviour of a planar Langmuir probe in a laser ablation plasma［J］.Applied Surface Science，2005，247（1⁃4）：134⁃138.

［8］HE Y L，LIU X M，WANG Z C.Study of nano⁃crystalline silicon films［J］.Science China A，1992（9）：995⁃1021.

［9］YUE H Y，WU A M，ZHANG X Y，et al.New two⁃step growth of microcrystalline silicon thin films without incuba⁃tion layer［J］.Journal of Crystal Growth，2011，322（1）：1⁃5.

［10］ZHANG X Y，WUA M，SHI S F，et al.Influence of Ar／H2ratio on the characteristics of phosphorus⁃doped hydrogena⁃ted nanocrystalline silicon films prepared by electron cyclo⁃tron resonance plasma⁃enhanced chemical vapor deposition［J］.Thin Solid Films，2012，521（10）：181⁃184.

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.网络出版时间：2015⁃01⁃09.基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（BK2011252）；常州市工业

支撑计划资助项目（CE20110012）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（DUT13JN08，DUT12JN02）.

李慧（1988⁃），女，硕士研究生；

吴爱民（1973⁃），男，副教授，博士生导师.

吴爱民，E⁃mail：aimin＠dlut.edu.cn.