Langmuir探针对以SiCl4/H2低温沉积多晶硅薄膜过程的在线检测

祝祖送，尹训昌，尤建村

Langmuir探针对以SiCl4/H2低温沉积多晶硅薄膜过程的在线检测

祝祖送，尹训昌，尤建村

（安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽安庆246011）

利用等离子体增强化学气相沉积技术、以SiCl4/H2为源气体可以低温快速沉积高质量的多晶硅薄膜。采用加热可调谐Lang⁃muir探针技术，研究了薄膜沉积过程中参与空间气相反应的电子特性——电子能量分布函数、电子平均能量和电子密度，并系统分析了影响多晶硅薄膜沉积的各工艺参数——射频功率、反应压强、氢流量和氢稀释度对电子特性的影响，并对实验结果进行了分析和讨论。

Langmuir探针；电子特性；SiCl4/H2等离子体；沉积速率

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.011

1　引言

制备硅基薄膜材料的常用方法是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术。为了揭示多晶硅薄膜的沉积机理以期获得高质量的多晶硅薄膜，人们提出了多种诊断等离子体的方法在众多诊断方法中，Langmuir探针技术因具有适用范围广、结构简单、直接深入等离子体内部等优点，被广泛应用于各类等离子体诊断及薄膜气相沉积的机理研究中［1-3］。

本文采用加热可调谐Langmuir探针技术，对用PECVD技术生长多晶硅薄膜过程中SiCl4/H2等离子体空间中电子特性进行了在线诊断［4-5］，探讨了各工艺参数对电子能量分布函数、电子平均能量和电子密度的影响，并对实验结果进行了讨论。

2　实验

实验装置图如图1所示，采用电容耦合平行板PECVD系统、不锈钢放电电极、加热装置安装在上电极、射频工作频率为13.56MHz。Langmuir探针装置由外径为3.32mm的玻璃管套在直径为0.35mm的钨丝外面组成，露出5mm的钨丝与等离子体接触，与上电极的距离为8mm。由计算机控制的Keithley617静电计给探针加一偏置电压，与此同时采集探针电流，进而可绘制出探针的I-Vp特性曲线。为了过滤掉探针电流信号中的射频成分，在测量回路中加入了滤波及调谐电路，从而有效地确保了探针曲线不受射频干扰。

图1　实验装置图

实验中，固定电极距离20mm不变，每次仅改变一个工艺参数，研究其对SiCl4/H2等离子体空间电子特性的影响。各参数的变化范围为：射频功率（5W～25W）、H2流量（0～30sccm）、氢稀释度（50%～90%）、反应压强（70～120Pa）。

3　数据处理过程

探针的I-Vp曲线采用Hayden法［6-8］拟合后，可得到电子能量分布函数与探针I-V曲线的关系

式中，Ap是探针暴露在等离子体空间的表面积，me为电子质量，ε为电子能量。

其中，Ie，sat为电子饱和电流，c¯e是电子的平均速率。

4　结果与讨论

4.1射频功率对SiCl4/H2等离子体特性的影响

图2和ne随射频功率的变化

图2给出的是衬底温度为250℃、气体总流量40sccm、氢稀释度75%、反应压强100Pa的条件下，射频功率分别为5W、10W、20W、25W时等离子体EEDF曲线和电子特性。由图2（a）可知，增大射频功率，电子能量分布曲线的峰值朝高能量方向移动，但高能电子数目却呈减少趋势。根据EEDF计算出的电子平均能量和电子密度如图2（b）所示，电子密度随射频功率的增大而增大；而对于电子平均能量，在低功率（低于10W）时，随射频功率的增大而减小，继续增大射频功率（高于10W），随射频功率的增大而增大。这可能是因为空间反应的能量随着射频功率增大而升高，因此，将有更多的电子在分子碰撞的过程中被电离出来，电子密度因而增大；另一方面，由于电子平均能量满足［9］

4.2反应压强对SiCl4/H2等离子体特性的影响

图3　和ne随反应压强的变化

不同的反应压强70Pa、80Pa、100Pa、120Pa下SiCl4/H2射频辉光放电等离子体的f（ε）、ε¯和ne如图3所示，其它工艺参数为衬底温度为250℃、气体总流量40sccm、氢稀释度RH75%。由图3（a）可以看出，当反应压强较大时电子能量分布f（ε）已明显偏离了麦克斯韦分布，反应压强较小时f（ε）呈现出双峰结构。由图3（b）可以得知，电子平均能量和电子密度均随反应压强的增大基本呈现出减小的趋势。由式（6）易知，当射频功率保持一定时，随着反应压强的增大，电子平均自由程减小，电子与气体分子发生频繁的碰撞，高能电子的数目减少，因此，电子平均能量ε¯随反应压强P的增大而降低。另一方面，反应压强增大，会导致电离率增大电子密度本应随之增大但图2（b）中电子密度却是呈减小趋势，这是由于SiCl4等离子体与惰性气体，如He，Ar辉光放电等离子体有所不同，SiCl4等离子体中低能电子吸附于各种中性基团从而形成负离子［11］：e-+SiClx→SiClx-（x=2～4）从而导致电子密度不增反减。电子平均能量和电子密度随反应压强的增大而减小使得多晶硅薄膜的沉积速率也随之减小。

图4　和ne随H2流量的变化

图4为等离子体参数随H2流量的变化情况。固定SiCl4气体流量为10sccm，射频功率为20W，反应压强为100Pa，衬底温度为250℃，H2流量分别为0sccm、10sccm、20sccm、30sccm。由图4（a），知低氢稀释时，电子能量分布偏离了麦克斯韦分布，当氢流量大于10sccm时，呈现出了明显的双峰结构，且电子能量分布峰位随氢流量的增大而朝着高能方向发生移动。由图4（b）可以看出，随着H2流量的增加，电子平均能量逐渐增大，但电子密度出现波动，变化趋势不太明显。其原因目前还没有相关文献进行报道，电子平均能量随H2流量的增加而增大可能是因为H2流量的增加使得反应压强增大从而导致电子平均能量增大，这将导致多晶硅薄膜的沉积速率随之增大。

4.4氢稀释度对SiCl4/H2等离子体特性的影响

图5　和ne随氢稀释度的变化

图5给出固定SiCl4/H2总流量为40sccm时，和ne随氢稀释度的变化，其它参数如下：射频功率为20W，反应压强为100Pa，衬底温度为250℃。由图5（a）可以看出，氢稀释度越高，双峰结构越明显，高能电子数额越大。由图5（b）可以得知，电子平均能量和电子密度呈现出不同的变化趋势，氢稀释度增大时，电子平均能量只有小幅度增大，电子密度却略有减小，但均只有小范围起伏：明，在SiCl4/H2气体总流量不变的情况下，SiCl4和H2的配比关系对于等离子体空间电子特性的影响不大，对多晶硅薄膜的沉积速率的影响不明显。

5　结论

使用可调谐的加热单探针技术，对沉积多晶硅薄膜所用的PECVD系统中的SiCl4/H2等离子体特性进行了研究，探讨了其与各工艺参数之间的关系。由实验结果可知，电子平均能量和电子密度受射频功率、反应压强和气体流量的影响较明显，而氢稀释度对等离子体空间电子特性的影响不明显。

对在PECVD系统中以SiCl4/H2为气源低温沉积多晶硅薄膜过程中的等离子体空间电子特性与各工艺参数依赖关系进行研究，这为最终揭示其成膜机理以及提高多晶硅薄膜沉积速率和薄膜质量奠定了基础。

［1］King S J，Price S D.Electron ionization of SiCl4［J］.The Journal of chemical physics，2011，134（7）：074311.

［2］Cao T，Zhang H，Yan B，et al.Optical emission spectroscopy diagnostic and thermodynamic analysis of thermal plasma enhanced nanocrystalline silicon CVD process［J］.RSC Advances，2014，4（29）：15131-15137.

［3］Yamane T，Nakao S，Takeuchi Y，et al.Measurements of SiH4/ H2VHF Plasma Parameters with Heated Langmuir Probe［J］.Contributions to Plasma Physics，2013，53（8）：588-591.

［4］Zhang L，Gao J H，Xiao J Q，et al.Low-temperature（120℃）growth of nanocrystalline silicon films prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition from SiCl4/H2gases：Microstructure characterization［J］.Applied Surface Science，2012，258（7）：3221-3226.

［5］Huang R，Ding H，Song J，et al.Growth Characteristics of Nanocrystalline Silicon Films Fabricated by Using Chlorinated Precursors at Low Temperatures［J］.Journal of nanoscience and nanotechnology，2010，10（11）：7596-7599.

［6］Hayden H C.Data smoothing routine［J］.Computers in Physics，1987（1）：74-75.

［7］Palop J I F，Ballesteros J，Colomer V，et al.A new smoothing method for obtaining the electron energy distribution function in plasmas by the numerical differentiation of the I-V probe characteristic［J］. Review of Scientific Instruments，1995，66（9）：4625-4636.

［8］Godyak V A，Piejak R B，Alexandrovich B M.Measurement of electron energy distribution in low-pressure RF discharges［J］.Plasma sources science and technology，1992（1）：36.

［9］Druyvesteyn M J，Penning F M.The mechanism of electrical discharges in gases of low pressure［J］.Reviews of Modern Physics，1940，12（2）：87-174.

［10］Huang R，Lin X，Huang W，et al.Effect of hydrogen on the lowtemperature growth of polycrystalline silicon film deposited by SiCl4/H2［J］.Thin solid films，2006，513（1）：380-384.

［11］Ómarsson F H，Reynisson B，Brunger M J，et al.Negative ion formation through dissociative electron attachment to the group IV tetrabromides：Carbon tetrabromide，silicon tetrabromide and germanium tetrabromide［J］.International Journal of Mass Spectrometry，2014，365：275-280.

［责任编辑：佳传友］

O53；O46

A

1674-1102（2015）06-0033-03

2015-10-15

安徽省教育厅资助项目（AQKJ2014B019）；安庆师范学院青年科研基金资助的课题（044-K10025000031）。

祝祖送（1980-），男，安徽安庆人，安庆师范学院物理与电气工程学院讲师，硕士，主要从事光电薄膜的制备和沉积机理的研究。