PECVD多晶硅薄膜制备工艺和性能研究
此可见，多晶硅薄膜是一种理想的薄膜晶体管显示材料。专家预测，下一代高端显示将采用多晶硅薄膜晶体管。
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第2章 多晶硅薄膜的制备方法
2.1等离子体增强化学气象沉积法
2. 11等离子体增强化学气相沉积法制备多晶硅薄膜
近年来随着太阳能电池的迅速发展和需求，促进人们去深入研究多晶硅薄膜
的各种制备工艺，寻求在低廉的衬底材料上低温(<_400 0C)沉积多晶硅(Poly-Si )薄膜。然而，大量的实验证实:在低温条件下很难用Si氏气体在一般的衬底材料上直接沉积得到多晶硅薄膜。邱春文等人研究了以SiF4和H2混合气体为反应气体，加上少量的SiH4来提高沉积速率，并且分析指出:在低温时促使多晶硅结构形成的反应基元是SiFmHn ( m十n<_3)，而不可能是SiHn- ( n<_3)基团。这一研究结果表明:卤素在低温生长多晶硅薄膜的形成过程中起到了相当大的作用。虽然现在单步法用PECVD制备多晶硅薄膜以卤化硅烷(再加氢气)为主要气源，但是目前也不乏直接用纯硅烷和氢气混合气体为气源来直接制备多晶硅薄膜的，甚至还能用PECVD实现硅薄膜外延生长。T. Kitagawa等人对PECVD制备硅薄膜低温外延生长进行了原位RHEED研究，他们研究发现:在达到临界外延膜厚后，多晶硅薄膜才开始生长，而月_是在温度分别为120℃和430℃时才出现多品硅薄膜生长，其中表面的氢钝化起到了相当大的作用。但是，目前从更多的文献来看，更有可能或者说更有希望实现RF-PECVD多晶硅薄膜生长的方法是在沉积多晶硅薄膜前对样品进行预处理。C.-H. Chen和T.-R. Yew使用单个真空反应室系统的PECVD设备成功地研究了以SiH4/ H2混合气体为气源的低温硅外延生长时的结构特点和生长速率。硅衬底在放入反应室之前先经过变更旋转刻蚀( Modified Spin-Etch)或者HF浸蘸处理，然后在放置好样品后接着用Hz}烤(Baking )。最后外延硅薄膜就在165-350℃的衬底温度下成功地生长出来了。S. Hasegawa等人用PECVD方法以SiH4/HZ混合气体为气源在熔融石英玻璃卜面成功地生长出了无掺杂的0.2um厚的多晶硅薄膜。他们在沉积多晶硅薄膜之前，
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先通入CF4-He气体进行等离子体化后对衬底表面进行刻蚀。他们发现高性能、大颗粒多晶硅薄膜的制得与衬底表面适当的粗糙度有关，也即多晶硅颗粒的生长与衬底表面形貌密切相关???。
2.12等离子体增强化学气相沉积法制备多晶硅薄膜的机理
在用等离子体增强化学气相沉积方法来制备多晶硅薄膜的过程中，目前都是通入SiH4和HZ两者的混合气体作为气源，如若仅仅引入纯SiH4气体，PECVD在衬底上面沉积而得的薄膜都是非晶硅薄膜。在多晶硅薄膜的沉积过程中，通过射频辉光放电法(Radio Frequency Glow Discharge)分解硅烷，在射频功率的作用下，硅烷气体被分解成多种新的粒子:原子、自由基团以及各种离子等等离子体。这些新的粒子通过迁移、脱氢等一系列复杂的过程后沉积于基板。总体来说多晶硅薄膜的沉积过程可以分为两个步骤:即SiH4气体的分解以及基团的沉积。而SiH4气体的分解又分为两个阶段:首先，在辉光放电下，高能电子与Si比气体碰撞，使Sills发生分解。其主要反应式如下所示:
同时，由于在一般的沉积气压下，气体分子与基团的自由程约为10?3～10?4cm远小于反应室的尺寸，在它们向基板扩散过程中，它们之间山于相互碰撞而发生进一步反应，主要反应式如下所示:
以上是以纯硅烷和氢气为反应气源的使用等离子体增强化学气相沉积方法沉积多晶硅薄膜的生长机制分析。在整个反应过程中，只有当SiH4超过一定浓度达到临界值时才能产生呈多种多面体状的Si颗粒，这些细Si颗粒将均匀成核，然后细Si核吸附SiH4产生表面反应，颗粒进一步长大，薄膜则进一步生长。
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2.2电子束蒸发法（EBE）制备硅薄膜
早在二十世纪五十年代初，电子束蒸发法就开始应用于半导体器件的薄膜沉积，主要是沉积电极。而在1954年，R.E. Honig发表了硅蒸发的质谱研究???此后，对不同衬底上电子束蒸发法沉积多晶硅薄膜、外延硅薄膜和非晶硅薄膜的研究与日俱增。
不同的工艺背景要求不同的衬底，而不同的衬底则有着不同的工业化前景。G. Shimaoka fIS.C. Chang???在NaCl衬底上应用电子束蒸发法沉积硅薄膜，并对在不同参数卜沉积所得的硅薄膜结构进行了相关的研究，发现硅薄膜的非晶到晶化的转变温度范围在300℃～400 ℃，并且(001)取向的外延硅薄膜就在衬底温度400～500 ℃、沉积速率0.1 ～0.3A /s以及2.7×10?6Pa的条件下沉积而得。
为了低成本、大规模化生产太阳能电池，P.H.Fang. L.M.Ephrath和W.B.Nowak在Al衬底上用电子束蒸发法沉积硅薄膜，而A1衬底的应用解决了原先铁衬底的两大问题:少数载流子中心的形成和无抗腐蚀性能，并且在100℃每分钟几微米的高速沉积下所得的硅薄膜有着不含晶界的「111]柱状生长取向。随后，便有不少研究者在金属衬底????和玻璃衬底????上电子束蒸发一薄层A1薄膜再接着通过电子束蒸发法沉积一层硅薄膜来获得柱状生长的多晶硅薄膜，这便是后来的电子束蒸发法Al诱导直接生长多晶硅薄膜原型????。此外，也有不少研究者在金属衬底上用电子束蒸发法沉积一层Ti薄膜再沉积硅薄膜，而Ti薄膜主要来钝化、阻挡来自金属衬底的外扩散。
为了能在绝缘体或者半导体器件上面形成薄膜晶体管(TFT)，单晶衬底上面生长外延硅薄膜一直是业界的一个热点，而蓝宝石(A12O3)和硅单晶衬底则是最具应用前景和研究最为广泛的两种衬底。为了降低外延硅薄膜的制备成本,G.J. Campisi等人使用电子束蒸发法在MoSiz衬底上、800℃以及超高真空的条件下异质外延生长有着(111)或者(233)晶向的硅薄膜，其外延薄膜厚度有2 ～12um不等。为了进一步降低成木，M. Milosavljevic等人[18]在没有去除(100)单晶
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硅的自然氧化层条件下直接在600 ～700℃之间的温度和5× 10?6Pa工作压强下以30～80nm/min的速率外延生长硅薄膜。在降低成本的同时，为了更有效地避免掺杂物质在高温下的重新分布，Y.-J. Lin和T.-R. Yew????在经高温去除自然氧化层后的单晶硅衬底上以200℃的衬底温度、高于0.020nm/s的速率外延生长硅薄膜。
不同真空设备沉积所得的薄膜本身有着很大的区别，这取决于其沉积原理。H. Mell和M.H. Brods研究了电子束蒸发法沉积非晶硅薄膜过程中的质谱分析，他们发现:在低速沉积过程中，只有13%的硅是以含有2～7个原子的原子团形式沉积到衬底上去，并且随着沉积速率的提高，原子团的百分比仅有略微的增加。为了饱和非晶硅薄膜中硅的悬挂键，D.L. Miller等人在沉积非晶硅薄膜的时候引入氢原子以期钝化非晶硅薄膜，而其所得薄膜有着与通过硅烷分解而得薄膜相当的导电性能并且.有着一定的光导性能。此外，由于非晶硅半导体一金属合金薄膜有着不一般的结构和光学、电学性质，非晶硅薄膜与金属之间的交互反应的研究有着相当重要的意义，其中也包括非晶硅薄膜金属诱导生长多晶硅薄膜的研究。
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