Aaron PV
读完需要
速读仅需 3 分钟
/ PECVD非晶硅薄膜-等离子体特性 /
等离子体的基本特征
等离子体的状态取决于其离子构成、粒子密度和粒子温度
1）等离子体的密度
电子、离子、中性粒子对应密度表示
电子密度决定等离子体电学性质 等离子体宏观表现为电中性，一般认为，把电子密度和离子密度统称为等离子体密度，表示为 电离度，等离子体中电子密度与放电前中性气体粒子密度之比 中性气体粒子密度为 - 为系统中的气压，单位为Pa
2）等离子体的温度处于热平衡状态下的气体粒子的速度服从麦克斯韦分布，单个粒子平均动能与平衡温度的关系：
- 粒子的质量 - 粒子的均方根速度 - 玻尔兹曼常数 - 热力学温度（绝对温度） 当电子温度远远大于离子温度时， ，称为非平衡态的等离子体 电子温度 高达 离子、原子等相对较重的粒子温度只有300~500K 根据重粒子温度，称之为“低温等离子体”(Cold plasma)
3）等离子体的德拜长度
- 电子温度 - 介电常数 - 电子电荷 德拜长度的物理意义：
为静电相互作用的屏蔽距离或屏蔽半径 为等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度 德拜长度可以作为等离子体宏观空间尺度的最小尺寸
时，存在静电势场，非典中性 时，宏观尺寸显示为电中性 一个电离气体若称得上是等离子体，需满足空间尺度 若，则属于带电气体而不是等离子体
4）等离子体振荡及振荡频率等离子体振荡是一种电子群和离子群的集体行为。电子振荡角频率：
线频率如果碰撞频率，即 ，表示系统来不及通过碰撞耗散振荡能量，则等离子体得以维持碰撞频率 通过热运动阻碍电中性恢复，即维持电离状态 而 为恢复电中性的因素
等离子体的密度越大，德拜长度越小 等离子体频率越高，电荷分离的空间尺寸和时间尺度越小
5）等离子体鞘层
当等离子体与容器接触，或者与置入等离子体中的电极、样品等接触时，会在等离子体与器壁接触表面形成一个暗区，带负电位的薄层区其厚度相当于，该区域明显偏离电中性，该层就称之为等离子体鞘层 鞘层区排斥电子，吸引正离子，最终形成一个由正离子包裹构成的空间电荷层 只有能量足以克服器壁负电位所产生的的势垒的电子，才能到达器壁
辉光放电中的等离子体反应
压强为10Pa左右的辉光放电气体中，离子和电子密度约为高能电子碰撞时可能发生的反应： 分解 电离 激发到高能态 处于激发态的原子、分子或者准分子基团跃迁会基态时，将以辐射光子的方式释放多余能量，这是辉光的来源 辉光放电的发光从阴极 --> 阳极方向划分为几个区域： 阿斯顿暗区 Aston Dark Space，厚度与压强成反比。此区域既无激发也无跃迁，是暗的 阴极光层 Cathode layer, 电子能量达到激发位，很薄很弱的发光层 阴极暗区 Cathode Dark Space，被明亮的负辉区衬托显得比较暗，发光强度高于阴极光层 负辉区 Negative Glow，发光最强，负辉区电场最弱几乎无电场空间 法拉第暗区 Faraday Dark Space，大部分电子在负辉区碰撞后损失了能量，不足及再引发电离和激发，不发光。电场慢慢增加，电子逐渐被加速进入正柱区 正柱区 Postive column，出现均匀光柱或明暗相间光柱。空间电荷等于零，电子密度等于正离子密度 阳极区 Anode Region
从阴极发射出来的初始电子，仅在阴极区引起电子雪崩，电离增长在阴极区最强
等离子体对成膜的影响
等离子体中因为电子和离子质量差异，导致电子和正离子温度不同，宏观上表现为低温，实际内部处于激发态，具有较高的化学活性，当受激发的能量超过化学反应所需的热激活能，受激发的电子足以打开分子键发生化学反应。
等离子体将反应物中的气体分子激活成活性离子，降低反应所需温度 加速反应物在表面的扩散作用（表面迁移率），提高成膜速率 对于基体及膜层表面有溅射清洗作用，溅射掉结合不牢的例子，从而加强形成膜层和基体的结合力 反应物中的原子、分子、离子、和电子之间碰撞、散射作用，使得成膜均匀
电离和复合速率相等时，称之为“电离平衡”，温度T时，达到电离平衡时，等离子体的电离度与电离条件关系沙哈方程Saha equation:
- 电子质量 - 普朗克常数 - 气体压强 - 开氏温度 - 气体的电离功 提高电离度，需要降低压力或者提高温度 反应需要气体参与，压力不能太低
辉光放电沉积装置
射频电源频率高低的选择，使离化物无法响应的临界电场频率
- 为离化物的迁移率，一般为量级 - 交变电场振幅 - 电极间距
当时，为6-60 MHz，选用13.56 MHZ射频电源
辉光放电功率密度从两个方面影响沉积膜层质量：
正离子动能增加，质量较大的重粒子如,会引起膜层损伤，使得缺陷密度增加 淀积速率增加，使得活性基团在吸附表面能力跟不上生长表面的外延速度，会造成组态增加，甚至出现微孔表面的型组态后果 功率密度增加，会造成等离子体的聚合反应效应，使反应腔室设置电极（石墨舟）上迅速沉淀黄色的琉松物质——（SiH2）聚合物，淀积表面受微小颗粒侵袭会增加，即针孔密度增加，严重时薄膜表面也有可能出现聚合物成核生长
流量不变，而改用稀释硅烷的情况下，淀积速率会随着功率密度的增加而下降，原因是H的腐蚀作用增强导致 使用H稀释硅烷时，用很高的功率会导致微晶的形成，膜层含氢量会明显下降 获得优质a-Si:H薄膜，放电功率比维持辉光放电的最小功率略高一点即可 使用纯SiH4沉积，最小功率密度通常不超过
参考资料：
《PECVD非晶硅薄膜制程工艺仿真建模》 博士论文 陆利新 2010
