311汕头大学王照奎.doc

用质谱法测量SiH4辉光放电中性基团的空间分布王照奎 林揆训 林璇英 邱桂明 祝祖送（汕头大学物理系, 汕头, 广东515063）摘 要： 本文设计了一个取样位置能在电极间自由调节的取样装置，用质谱法首次测量了SiHn (n=0-3)基团的空间相对丰度分布。SiH4的消耗率是计算中性基团的关键参量， 一种线性拟合的方法被提出来计算SiH4的消耗率。SiHn (n=0-3)基团的空间相对丰度分布表明：在等离子体空间，SiH2、SiH3的丰度要比Si和SiH大，这表明SiH2和SiH3可能是沉积薄膜的主要基团。关键词：质谱法，中性基团，消耗率，空间分布中图分类号：TL65 文献标识码： A0 引 言氢化非晶硅（a-Si: H）薄膜作为一种重要的大面积光电材料，在太阳能电池工业和作为纯平液晶显示器及传感器的薄膜晶体管工艺中得到了广泛的应用。然而， a-Si: H薄膜的沉积机制目前还没有一完整系统的理论，SiH4射频辉光放电等离子体空间和表面的基本反应过程仍然是理论和实验研究关注的焦点1-4。在以SiH4为源气体用等离子体增强化学气相沉积法来制备非晶硅薄膜的过程中，一般认为SiHn (n=0-3)是沉积薄膜的主要基团。因此SiHn (n=0-3)基团空间分布的测量对于理解a-Si: H薄膜的沉积机制显得十分重要。测量这些基团的常用的方法一般是光谱法5-7和质谱法8-11。由于这些基团的激活和发射波长范围很宽，包括了从红外到紫外的波长范围，至今为止并没有测量所有中性基团的相关报道。而且，由于等离子体产生的粒子而导致等离子体发射或散射激光，从而干扰某些基团的光谱信号，增大了测量误差。用质谱方法可以同时测量所有的中性基团，但由于其体积一般较大加之特殊的高真空工作环境，只能检测固定位置的基团浓度或丰度。目前为止，也没有相关的用质谱法同时检测SiH4辉光放电中所有中性基团空间分布的报道。本文，考虑到SiHn (n=0-3)基团的电子碰撞电离截面是电子能的函数，我们提出了一种线性拟合的方法，来获得SiH4的消耗率。同时，设计了一个独特的取样装置，其取样位置在电极间能自由地调节，用质谱法首次实现了SiHn (n=0-3)基团的空间相对丰度分布的测量，并对其分布进行了初步的讨论。1 实验装置及过程如图1所示，整个实验装置包括4个部分：常规的PECVD系统，取样装置，差分抽气系统，和质谱计（残余气体分析仪RGA）。射频源13.56 MHz，电极间距30mm。反应室本底真空310-3 Pa。取样气体通过一与上下电极平行且其内径为1mm的玻璃细管进入由聚四氟乙烯材料做成的中空的圆柱形棒内，这个较细的圆柱形棒能在下面的圆柱形棒内自由活动且两者匹配很好。下面的圆柱形棒固定在一内径为3mm 的三弯曲的不锈钢管上，取样气体通过它进入差分抽气系统。质谱计是由美国斯坦福研究中心（SRS）研制的SRS GRA 100，用其电子倍增器（CDEM）能探测到的最小偏压可达10-12 Pa。RGA 有ECU （Electronics control unit）和Probe 两部分组成。ECU用来控制RGA的工作，处理和传递扫描的数据到计算机用以显示和分析。Probe象其他类型的质谱计一样由三部分组成：离子产生器（Ionizer），四极过滤器（Quadrupole filter）和离子探测器（Ion detector）。基金项目：国家重点基础研究“973”发展规划项目（G2000028208）三个系列的实验来研究放电气压（5帕和10帕，相应于流量4sccm和7.5sccm）、射频功率（020W）和取样位置对SiH4消耗率和SiHn (n=0-3)基团的空间相对丰度分布的影响。在每一系列的测量过程中，总是改变一个参量而其余的参量不变。所有的测量都在稳态的SiH4等离子体情况下图1 实验系统图 Fig.1 Schematic of experimental apparatus进行。RGA首先用纯Argon进行校准，其发射电流和聚焦电压本别保持1mA和90V不变，电子能在25100eV之间连续可调。取样位置的改变可通过调整两圆柱聚四氟乙烯的相对高度来实现。2 理论方法设和分别是反应室不放电和放电时，在一定的电子能（）下RGA检测到SiHn+ (n=0-3)的质谱信号，则可表示为： (1)式（1）中，是反应室放电产生的SiHn+ (n=0-3)离子取样到RGA对的贡献，是反应室放电产生的SiHn (n=0-3)中性基团取样到RGA被电离为相应的离子对的贡献，定义为SiH4的消耗率。当反应室放电且RGA的灯丝关闭时，信号应当被RGA检测到。事实上，即使RGA调节到最灵敏的状态（用电子倍增器探测），也没有探测到信号。这表明由于取样管道过长和多弯曲性，信号在取样过程中可能与取样管壁碰撞并被吸收。因此式（1）可简化为： (2)在高电子能下，Robertson等忽略对，提出了一种计算的方法8，9。但是利用这种方法，中性基团的计算只能在较低的电子能下进行，从而误差较大。理论上讲，SiH4的消耗率在一取样位置某一放电条件下，应当是不变的常数。而由于SiHn(n=0-3)基团的电离碰撞截面和SiH4的分离电离截面是电子能的函数，, 和 信号会随着电子能的变化而变化。定义=/ (3) 和分别是SiHn(n=1-3)基团在每一电子能下对应的碰撞截面和最大的碰撞截面， 和的值来源于文献12, 13，定义为最大碰撞截面对应的电子能下的SiHn(n=0-3)信号，则式（2）可变形为： (4)进一步地，令 ， （5）式（4）可简化为： (6)从式（7）可以明显看出，对某一中性基团SiHn(n=0-3)，是的一次函数。不同电子能下，对SiHn(n=0-3)基团的所有和，可由（5）式和（6）式得到。对于某一基团，线性拟合RGA所有电子能范围下所对应的和值，直线的斜率即是所求的SiH4消耗率。对式（2）稍加变形，Si, SiH, SiH2 and SiH3的相对丰度可在其最大碰撞截面所对应的电子能下由下式来计算： (8)3 结 果图2中的几组曲线显示了不同取样位置和放电气压下放电功率对SiH4消耗率的影响。从中可以明显看出，SiH4的消耗率在520W的范围内，随着放电功率的增大而增大。和文献9报道的结果一致。图2 SiH4消耗率随功率的变化Fig.4 Depletion fraction versus rf power at different smapling position图3的几组曲线显示了不同放电条件下，SiH4消耗率随取样位置的变化趋势。可以看出：同一放电条件下，SiH4的消耗率随取样位置的不同而不同，一般在电极中间或附近达到一最大值。而且，不同放电条件下SiH4消耗率随取样位置的变化趋势基本上一致。 图3 SiH4消耗率的空间分布 图4 SiHn基团的空间分布Fig.3 The spatial distribution of Fig.4 The spatial distribution ofdepletion fraction of SiH4 SiHn (n=0-3) neutral radicals图4显示了10 Pa和10W下，SiHn (n=0-3)基团相对丰度随取样位置的变化曲线。可以看出，SiH、SiH2和SiH3的丰度在距阴极13mm处（两电极中间附近）有峰值，Si的丰度在距阴极10mm处有峰值。一般，在整个等离子体空间，SiH2和SiH3的丰度最大，其次是Si，SiH的丰度最小，这表明SiH2和SiH3可能是形成a-Si: H薄膜的主要基团。4 结 论本文，考虑SiHn (n=0-3)基团的电离截面随质谱计的电子能变化的因素，提出了一种更为精确的线性拟合的方法来获得SiH4放电的消耗率， 并且设计了一独特的从PECVD系统取样的可移动装置。实现了用质谱法SiH4放电中SiHn (n=0-3)基团的相对丰度空间分布的测量。结果表明，在整个等离子体空间，SiH2、SiH3的丰度一般要比Si和SiH大，SiH2和SiH3可能是形成a-Si: H薄膜的主要基团。参考文献1 M. 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