等离子体增强化学气相沉积PEVCD的分析研究现状9白文周

太阳能光电工程学院

《材料加工设备概论》

课程设计报告书

题 目： 等离子体增强化学气相沉积PEVCD的研究现状

姓 名： 白 文 周

专 业： 光伏材料加工与应用技术

班 级： 09级光伏材料助考班

准考证号： 014410300529

设计成绩：

指导教师：

摘 要

本设计主要阐述了等离子体增强化学气相沉积PECVD的基本原理，什么叫PECVD以及在太阳能电池片制作过程中的研究现状

关键词： 等离子 化学气相沉积 基本原理 PECVD 研究现状

目 录

绪 言3

1 等离子体概论4

1.1 等离子体的基本概念和性质4

1.2 等离子体的特性参数描述5

1.2.1粒子密度和电离度6

1.2.2 电子温度和粒子温度6

1.3等离子体的产生方法和原理7

2 辉光放电等离子体的物理基础8

2.1辉光放电装置8

2．2 辉光放电原理10

3等离子体增强化学气相沉积技术11

3.1 等离子体增强化学气相沉积的主要过程11

3.2 等离子体内的化学反应12

3.3 生长表面的成膜反应14

参考文献18

绪 言

本设计概要地描述了等离子体的基本概念、性质以及描述等离子体的主要参数；阐述了常用于薄膜制备的辉光放电方法产生低温等离子体的实验装置和物理原理；以硅烷等离子体技术沉积硅薄膜为例，较为系统地分析了等离子体增强化学气相沉积的主要过程、等离子体内的化学反应以及薄膜生长表面的成膜反应。

1 等离子体概论

1.1 等离子体的基本概念和性质

近代科学研究的结果表明，物质除了具有固态、液态和气态的这三种早为人们熟悉的形态之外，在一定的条件下，还可能具有更高能量的第四种形态——等离子体状态。例如通过加热、放电等手段，使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度达到一定的数值时，物质的状态将发生新的变化，这时的电离气体已经不再是原来的普通气体了。由于这种电离气体不管是部分电离还是完全电离，其中的正电荷总数始终和负电荷总数在数值上是相等的，于是人们将这种由电子、离子、原子、分子或者自由基团等粒子组成的电离气体称之为等离子体[ 1]。

不管在组成上还是在性质上，等离子体不同于普通的气体。普通气体由电中性的分子或原子组成，而等离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。等离子体和普通气体在性质上更是存在本质的区别，首先，等离子体是一种导电流体，但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性；其次，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力；再者，作为一个带电粒子体系，等离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。因此，等离子体是完全不同于普通气体的一种新的物质聚集态。

应当指出，并非任何的电离气体都是等离子体。众所周知，只要绝对温度不为零，任何气体中总存在有少量的分子和原子电离。严格地说来，只有当带电粒子地密度足够大，能够达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，换言之，这样密度的电离气体才能够转变成等离子体。除此之外，等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度，如果电离气体的空间尺度L 不满足等离子体存在的空间条件L>>D>p

1.2 等离子体的特性参数描述

等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度，其中粒子密度和温度是描述等离子体特性的最重要的基本参量。

1.2.1粒子密度和电离度

如前所述，组成等离子体的基本成份是电子、离子和中性粒子。通常分别用ne、ni 和ng 来表示等离子体内的电子密度、粒子密度和未电离的中性粒子密度，而当ne＝ni时，则可用n 来表示二者中任一个带电粒子的密度，简称为等离子体密度。然而，一般等离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度与粒子密度不一定总是相等的。对于主要是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体，可以认为ne≈ni。对于这种情形，电离度定义为：=ne/( ne + ng>。电离度很小的等离子体称为弱电离等离子体；当较大

1.2.2 电子温度和粒子温度

由于等离子体内不止有一种粒子，而且通常不一定有合适的形成条件和足够的持续时间来使各种不同的粒子达到统一的热平衡条件，因此不可能用一个统一的温度来对等离子体进行描述。根据弹性碰撞理论，离子－离子、电子－电子等同类粒子间的碰撞频率远大于离子－电子间的碰撞频率。况且同类粒子的质量相同，碰撞时能量交换最有效。显然，等离子体内部应当是每一种粒子各自先行达到自身的热平衡态。相比较而言，电子的质量最轻，达到热平衡的过程也进行得越快。所以，等离子体的温度必须用不同的粒子温度加以描述。通常，分别用Te、Ti和Tg来表示等离子体的电子温度、离子温度和中性粒子温度，考虑到“热容”，等离子体的宏观温度取决于重粒子的温度。

依据等离子体的粒子温度，可以将等离子体分为两大类。当Te＝Ti时，称为热平衡等离子体，这类等离子体不进电子温度高，重粒子温度也高，因此也叫高温等离子体。当Te>>Ti 时，称为非平衡态的等离子体。尽管这种等离子体的电子温度高达104K 以上，但离子和原子之类的重粒子体温度却低到300～500K。因此按照其重粒子温度的特点也叫做低温等离子体。低温等离子体的特点表明，非平衡性对于等离子体化学与工艺具有十分重要的意义。一方面等离子体中的电子具有足够高的能量，能够使得反应物分子实现激发、离解和电离；另一方面，由于反应能量是由电场通过电子提供的，能够在较低的温度下进行反应，使得反应体系可以保持低温。正是因为如此，通常基于低温等离子体技术的设备投资少，节省能源，因此获得了非常广泛的应用。 1.3等离子体的产生方法和原理

获得等离子体的方法和途径多种多样，其中宇宙星球、星际空间以及地球高空的电离层等属于自然界产生的等离子体另当别论。这里只讨论人为产生等离子体的主要方法和原理。一般说来，电离的方法有如下几种[4]：

1）光、X 射线、射线照射：通过光、X 射线、射线的照射提供气体电

离所需要的能量，由于其放电的起始电荷是电离生成的离子，所形成的电荷密

度通常极低。

2）辉光放电：通过从直流到微波的所有频率带的电源激励产生各种不同

的电离状态。

3）燃烧：通过燃烧，火焰中的高能粒子相互之间发生碰撞，从而导致气

体发生电离，这种电离通常称之为热电离。另外，特定的热化学反应所放出的

能量也能够引起电离。

4）冲击波：气体急剧压缩时形成的高温气体，发生热电离形成等离子体。

5>激光照射：大功率的激光照射能够使物质蒸发电离。

6>碱金属蒸气与高温金属板的接触：由于碱金属蒸气的电离能小，当碱金属蒸气接触到比电离能大的功函数的金属时，电离容易发生，因此碱金属蒸气与高温金属板的接触能够生成等离子体。

在上述的等离子体的产生方法中，辉光放电法所产生的低温等离子体在薄膜材料的制备技术中得到了非常广泛的应用。有鉴于此，下面只对辉光放电法产生的低温等离子体技术进行介绍。 2 辉光放电等离子体的物理基础

2.1辉光放电装置

辉光放电装置的形式多种多样，按照划分的标准不同而异。根据辉光放电激励源频率的不同，辉光放电可分为直流辉光放电和交流辉光放电两种形式，其中交流辉光放电还可以按照激励源频率的高低划分为低频辉光放电、射频辉光放电、甚高频辉光放电以及微波辉光放电等。而按照能量耦合方式的不同，辉光放电装置还可分为外耦合电感式、外耦合电容式、内耦合平行板电容式和外加磁场式等。其中，在材料制备技术中较为普遍应用的是射频内耦合平板电容式。其典型的实验装置示意图见图2.1。

图2.1 平板电容式辉光放电实验装置示意图

以目前多采用的图2.1 所示的射频电容形式辉光放电装置为例，当在系统的两个电极之间加上电压时，由阴极发射出的电子在电场被加速获得能量，通过与反应室中的气体原子或分子碰撞，使其分解、激发或电离，这一方面产生辉光，另一方面在反应室中形成很多电子、离子、活性基团以及亚稳的原子和分子等，其中电子的密度高达109-1012cm-3。在一定的区域

2．2 辉光放电原理

在图2.1 所示的反应室中通入0.1Torr～1Torr 左右的反应气体，并在上下两极板之间加上合适的激励电压时，在系统的两个电极之间就会产生放电现象，形成放电电流。一般说来，辉光放电分为有恒定电压特性的正常辉光放电和有电流饱和特性的异常辉光放电。在实际的样品制备过程中，经常的选择实现后者的工艺条件。

辉光放电区域由发光部分和暗区部分组成，其外观如图2.2 所示。辉光区可分成许多小区域，每一个小区域的辉光度及其宽度差别很大。由于从阴极发射出的电子能量非常低，很难对气体分子发生作用，因此在非常靠近阴极的地

方形成阿斯顿暗区。从阴极发射出来的电子，在穿过阿斯顿暗区的过程中，被

10 / 18

图2.2 辉光放电的外观示意图

在放电电压中占大部分的阴极电压降产生的电场加速，获得了足够的能量，当它们与气体分子作用时，就会使气体分子激发而发光，形成阴极辉光区。与气体分子没有发生作用的电子，穿过阴极辉光区后被进一步加速，由于此时电子的能量超过了分子激发所需能量的最大值，再与气体分子作用时，就会使其分解、电离，从而产生大量的离子和低速电子，发光变弱，形成阴极暗区

对于高频电源激励条件下的辉光放电过程而言，只有质量很小的电子才能够跟得上电场的变化，质量远大于电子的离子基本上不动，它们从电场中获得