CC BY
107
ФИЗИКА
Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 26-29.
УДК 533.9
В.И. Струнин, А.В. Сартаков, Г.Ж. Худайбергенов
МОДЕЛИРОВАНИЕ АРГОН-ГЕЛИЙ-СИЛАНОВОЙ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА
В результате численного моделирования аргон-гелий-силановой плазмы высокочастотного разряда получены равновесные концентрации радикалов, определяющих механизмы формирования и фотоэлектрические качества пленок аморфного кремния. Исследовано влияние метастабильного состояния гелия на концентрации атомарного кремния и его высокомолекулярных соединений.
Ключевые слова: аргон-силановая плазма, тлеющий разряд, метастабильные состояния аргона, заселенность состояний, высокочастотный разряд, осаждение тонких пленок, тонкие пленки аморфного кремния.
Введение
В настоящее время в электронике интенсивно развиваются направления, связанные с изготовлением полупроводниковых структур на больших площадях газоструйными методами [1; 2]. Пленки аморфного кремния (a-Si:H) как основа изготовления элементов солнечных батарей кроме очевидных достоинств обладают серьезными недостатками: относительно большой шириной запрещенной зоны (1,7-1,8 эВ) и деградацией элементов при длительном солнечном облучении (эффект Стеблера - Вронски), что существенно снижает эффективность элементов по сравнению, например, с монокристаллическими.
В последнее время с целью повышения эффективности элементов солнечных батарей методом лазерного пиролиза производится внедрение однокристальных кремниевых наночастиц (Si-NPs) в поверхность пленки в момент осаждения слоя a-Si:H [3]. Кремниевые наночастицы формируют структуру квантовых точек (QD) [4]. Матрица квантовых точек выступает как дополнительный слой поглощения высокоэнергетичных фотонов и позволяет снизить влияние эффекта Стеблера - Вронски, поскольку кристаллический кремний не подвержен светоиндуцированной деградации [5]. Наночастицы также влияют на ширину запрещенной зоны a-Si:H, что может повысить КПД солнечных элементов [6].
В данной работе предлагается для формирования наночастиц использовать высокочастотный емкостной разряд (ВЧЕ-разряд) в смеси газов 5%He + Ar + 2,5%SiH4. Добавление гелия в исходную смесь Ar + 5%SiH4 позволит, во-первых, увеличить выход Si в процессе диссоциации силана, а во-вторых, снизить вероятность образования макрочастиц, которые будут полимеризироваться в плазме через продукты распада SiH4. Сечения девозбуждения для атомов аргона и гелия молекулами силана показаны в табл. [7; 8].
Сечения девозбуждения для атомов аргона и гелия молекулами силана
Реакция Сечение девозбуждения о(А2)
He*(23S) ——SIH4 SI* 0,78
(19,81 эВ) SIH* 0
SIH 0
SIH+ + e 18
SIH2, SIH3 0
Ar*(3P2) — SIH4 SI* 0,27
(11,55 эВ) SIH* 4
SIH 4-25
SIH+ + e 0
SIH2, SIH3 74-94
© В.И. Струнин, А.В. Сартаков, Г.Ж. Худайбергенов, 2015
Моделирование аргон-гелий-силановой плазмы высокочастотного емкостного разряда
27
Как видно из представленной таблицы, основным продуктом в реакции молекул силана с долгоживущими возбужденными состояниями атомов гелия будут ионы SiH+. Для возбужденных атомов аргона этот процесс будет протекать иначе. Энергия метастабильного состояния Лг*(3Р2) составляет (11,55 эВ), что гораздо ниже первого ионизационного потенциала SiH4 (12,36 эВ) [9]. Соответственно, механизм снятия возбуждения будет идти не по каналу пеннинговской ионизации, как это происходит с гелием, а с образованием нейтральных радикалов SiH и SiH2, которые не способствуют качеству растущей пленки. К тому же выход Si в смеси с гелием выше, а это позволит получать кремний в газовой фазе и за счет струйного истечения доставлять его на подложку.
Моделирование физико-химических процессов в аргон-гелий-силановой плазме ВЧЕ-разряда в данной работе ориентировано на определение условий генерации атомарного кремния и снижения концентрации высших силанов.
Результаты и их обсуждение
Численное моделирование физико-химических процессов проводилось с использованием программы Diff_2D [10] для цилиндрического реактора с размерами L = 3,0 см, R = 3,5 см, при общем давлении газа p = 0,125 Торр, температуре T = 500 K и частоте генерации высокочастотного электромагнитного поля f = 13,56 МГц. Концентрация электронов задана параметрически и составляет re = 108 см-3. Моделирование электронной компоненты проводилось с помощью программы Kinetica [11].
Получены концентрации всех основных компонент в гелий-аргон-силановой плазме ВЧЕ-разряда. Из рис. 1 видно, что с увеличением приведенного поля E/p увеличивается константа скорости процесса полной диссоциации. На рис. 2 представлена зависимость функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) при различных газовых смесях с гелием (Лг + 2.5%SiH4 + 5%He) и без гелия (Лг + 5%SiH4). Видно, что при высоких значениях приведенного поля доля высоко-энергетичных электронов больше, с уменьшением общего давления сверхупругие процессы менее существенны.
На рис. 3-5 представлены концентрации силановых радикалов и атомарного водорода от времени. Такие компоненты, как SiH2, H2, быстро (~ 1 мс) выходят на равновесные концентрации, тогда как SiH3 (силил) медленно достигает равновесного значения (~ 4— 5 мс). Продолжительное нахождение этих радикалов в активной зоне разряда будет способствовать образованию высокомолекулярных соединений кремния с последующим образованием макрочастиц - пыли. Чем медленнее выход на равновесные концентрации радикала SiH3, тем выше качество пленки.
На рис. 5 видно, что концентрация водорода в плазме для смеси аргон-силан выше, чем для смеси с гелием. Увеличение водорода в пленке ухудшает фотоэлектрические свойства пленок кремния [8; 9].
Рис. 1. Зависимость константы скорости полной диссоциации от приведенного поля E/p (В/(см -Торр))
Энергия электронов, эВ
Рис. 2. ФРЭЭ в плазме ВЧЕ-разряда при E/N = 5-Ш15Всм2
Рис. 3. Зависимость концентраций радикалов и водорода от времени, Ar + 2,5%SiH4 + 5%He
На рис. 6 представлены радикалы Si2He и Si3H8, которые будут только накапливаться в плазме и в конечном счете приводят к полимеризации молекул высокого порядка. Видно, что при добавлении в смесь гелия происходит уменьшение концентрации радикалов в 4 и в 2 раза соответственно.
28
В.И. Струнин, А.В. Сартаков, Г.Ж. Худайбергенов
Рис. 4. Концентрация SiH3 и SiH для разного газового состава в зависимости от времени, давление p = 0,125 Торр
Рис. 5. Концентрация SiH2 и H2 для разного газового состава в зависимости от времени, давление p = 0,125 Торр
Рис. 6. Концентрация Si2H6, Si3Hs для разного газового состава в зависимости от времени, давление p = 0,125 Торр
На рис. 7 приведены сравнительные графики, на которых видно, что при добавлении 5 % гелия в смесь аргон-силана концентрация силила практически не меняется, в то же время концентрация Si увеличивается. Этот эффект обусловлен тем, что образуется дополнительный канал взаимодействия силана с метастабильными атомами гелия.
Рис. 7. Концентрация SiH3 и Si для разного газового состава в зависимости от времени, давление p = 0,125 Торр
На рис. 8 приведены распределения
концентрации радикала SiH3 для состава (Ar + 2.5%SiH4 + 5%He) по длине разрядной камеры при разном давлении в камере плазмотрона. Это распределение характеризуется высокой плотностью силила по центру разрядной камеры и снижением ее у стенок.
Рис. 8. Аксиальные профили радикала SiH3 при разном давлении
Выводы
По результатам численных расчетов могут быть сделаны следующие выводы:
• добавление в аргон-силановую плазму гелия приводит к увеличению концентрации Si вследствие образования дополнительного канала разложения силана через реакции с метастабильными атомами гелия;
• добавление гелия в исходную смесь аргон-силана снижает долю высших силанов, что уменьшает вероятность образования высокомолекулярных соединения силанов (пыли) за время пребывания молекул в активной фазе разряда;
• при уменьшении давления относительная доля радикала SiH3 увеличивается, что объясняется повышением роли диссоциации через реакции с метастабильными атомами аргона и гелия.
Моделирование аргон-гелий-силановой плазмы высокочастотного емкостного разряда
29
ЛИТЕРАТУРА
[1] Шарафутдинов Р. Г., Бакланов М. Р., Аюпов Б. М. и др. Особенности процессов осаждения и свойства слоев кремния, полученных струйным плазмохимическим методом с электронно-лучевой активацией газов // ЖТФ. 1995. Т. 65. № 1. C. 181-186.
[2] Струнин В. И., Баранова Л. В., Усов В. А., Ху-дайбергенов Г. Ж. Струйный метод формирования пленок аморфного кремния // Тезисы докладов Х конференции по физике газового разряда. Рязань, 2000. Ч. 1. С. 182-183.
[3] Park J. H., Song J. Study on the Fabrication of Silicon Nanoparticles in an Amorphous Silicon // Journal of the Korean Physical Society. 2012. Т. 60. № 12. C. 2054-2057.
[4] Cho E.-C., Park S., Hao X. et al. Silicon quantum dot/crystalline silicon solar cells // Nanotechnology. 2008. Vol. 19. P. 245201.
[5] Cazzanelli M., Navarro-Um^s D., Riboli F., Dal-dosso N., Pavesi L. Optical gain in monodis-persed silicon nanocrystals // Journal of Applied Physics. 2004. Т. 96. № 6. C. 3164-3171.
[6] Pi X. D, Liptak R. W, Nowak J. D, Wells N. P., Carter C. B. Air-stable full-visible-spectrum emission from silicon nanocrystals synthesized by an all-gas-phase plasma approach // Nanotechnology. 2008. Vol. 19. P. 245603.
[7] Tsuji M., Kobarai K. et al. Dissociative excitation of SiH4 by colli-sions with metastable argon atoms // Chem. Phys. Lett. 1989. Vol. 155. P. 481-485.
[8] Yoshida H., Morishima Y. et al. Cross sections for deexcitation of He(2 3S, 2 1S and 2 1P) by SiH4 and GeH4 // Chem. Phys. Lett. 1991. Vol. 176. P. 173-177.
[9] Pullen B. P., Carlson T. A. Photoelectron Spectra of Methane, Silane, Germane, Methyl Fluoride, Difluoromethane, and Trifluoromethane // J. Chem. Phys. 1970. Vol. 53. P. 768-775.
[10] Ляхов А. А, Худайбергенов Г. Ж. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611224 «Diff_2D». 2001.
[11] Ляхов А. А., Худайбергенов Г. Ж. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611223 «Kinetica». 2001.
