Plasma enhanced chemical vapor deposition of silicon thin films and materials characterization

Abstract

Amorphous (a-Si:H) and microcrystalline (μc-Si:H) hydrogenated silicon, have attracted particular attention during the last decades due to their application in optoelectronic devices (transistors, thin film solar cells, TFTs etc.). These materials are produced via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) technique through capacitively coupled (CCP) SiH4/H2 glow discharges. The main advantages of this technique are the possibility to deposit device grade materials at low temperatures and over large areas (> 1 m2). On the other hand, the main disadvantages of the method are the rather low deposition rate and the dust formation in the gas phase, which can under certain conditions affect the reproducibility of the process and deteriorate the film properties. Thus, the aim of the present thesis is to study the effect of several SiH4/H2 discharge parameters on the dust formation, deposition rate and film properties. The main target is the determination of the basic plasma properties that fulfill the following requirements: (a) relatively high μc-Si:H film growth rate, (b) film optical properties and crystallinity, suitable for application in photovoltaics and (c) the control of particles formation. In order to achieve these goals several depositions were performed and analyzed with the aid of plasma diagnostics, surface characterization methods and gas phase theoretical analysis. According to the results, the variation of several discharge parameters led to the deposition of crystalline materials at relatively high growth rates. Furthermore, the several stages of dust particles formation were monitored via the self-bias voltage (Vdc) and optical emission spectroscopy (OES) measurements. Discharge parameters as total gas pressure and temperature was found that strongly affect the growth of dust particles. Finally, the pulsed plasma modulation method was proposed as a method that can be used in order to suppress or control the dust particle growth

Το άμορφο (a-Si:H) καθώς και το μικροκρυσταλλικό (μc-Si:H) υδρογονωμένο πυρίτιο, προσελκύουν το ερευνητικό ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες εξαιτίας της εφαρμογής τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις (π.χ. αισθητήρες, φωτοβολταïκά κελιά λεπτών υμενίων, TFT’s κτλ.). Η τεχνική η οποία χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή τους, είναι η χημική εναπόθεση ατμών υποβοηθούμενη με πλάσμα (PECVD) χωρητικά συζευγμένων εκκενώσεων SiH4/H2. Το βασικό πρόβλημα της συγκεκριμένης τεχνικής εντοπίζεται στους χαμηλούς ρυθμούς εναπόθεσης που παρουσιάζονται. Ωστόσο, η μεταβολή των παραμέτρων της διεργασίας οδηγεί στην εναπόθεση υλικών διαφορετικών ιδιοτήτων με διαφορετικούς χρόνους εναπόθεσης. Επιπλέον, η μεταβολή των παραμέτρων μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό νάνο- και μίκρο-σωματιδίων, ο οποίος μπορεί να είναι είτε ευεργετικός ή επιβλαβής για τη διεργασία και το υλικό ανάλογα με την εφαρμογή. Στόχος της παρούσας διατριβής, είναι η μελέτη της επίδρασης των διαφόρων παραμέτρων της διεργασίας στη δημιουργία σωματιδίων, στο ρυθμό εναπόθεσης και στις ιδιότητες των υλικών. Ο βασικός στόχος είναι ο προσδιορισμός των κατάλληλων παραμέτρων που πληρούν τα παρακάτω: (α) υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης μc-Si:H, (β) ιδιότητες και κρυσταλλικότητα των υλικών κατάλληλες για την εφαρμογή σε φωτοβολταϊκές διατάξεις και (γ) έλεγχο της δημιουργίας των σωματιδίων. Για την επίτευξη των παραπάνω, εναποτέθηκαν υλικά υπό διαφορετικές συνθήκες και μελετήθηκαν με τη βοήθεια διαφόρων διαγνωστικών πλάσματος, μεθόδων χαρακτηρισμού επιφανειών και θεωρητικής ανάλυσης της αέριας φάσης πλάσματος.Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η μεταβολή των παραμέτρων της διεργασίας οδήγησε σε υλικά υψηλής κρυσταλλικότητας με σχετικά υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης. Επιπλέον, τα διάφορα στάδια της δημιουργίας των σωματιδίων αποτυπώθηκαν πλήρως μέσα από την χρονική καταγραφή του δυναμικού αυτοπόλωσης (Vdc) και της οπτικής φασματοσκοπίας εκπομπής (OES), ενώ οι διάφορες παράμετροι της διεργασίας (συνολική πίεση και θερμοκρασία) επηρεάζουν σημαντικά τη δημιουργία των σωματιδίων. Τέλος, αποδείχτηκε πως η παλμική εναπόθεση μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την καταστολή ή/και τον έλεγχο της δημιουργίας των σωματιδίων.