本文中，我們采用空心陰極等離子體增強化學氣相沉積(MHC-PECVD)在玻璃、表面濺射氧化銦錫(ITO) 的玻璃(玻璃+ITO) 以及表面濺射ITO 的聚酰亞胺(PI+ITO) 柔性襯底上沉積氫化微晶硅(μc-Si:H)，研究不同襯底材料對微晶硅薄膜性質的影響。我們發現在PI+ITO 襯底上沉積薄膜的結晶率(Xc)最小，且結晶率最大值時的溫度依賴沉底材料：對于PI+ITO 襯底來說，結晶率最大值時的溫度為200℃，而對于玻璃和玻璃+ITO 襯底來說，這個溫度會在250℃~300℃之間浮動。我們認為PI+ITO 襯底上薄膜較低的結晶率與其較高的熱膨脹系數(CTE)以及小分子和氣體的釋放有關。

　　微晶硅(μc-Si:H) 通常也被記作納米晶硅(nc-Si)，由非晶硅、較大的柱狀晶硅以及小晶粒和晶界組成。由于其對光誘導降解較高的穩定性、高吸光系數和較高的電池轉換效率，最近一段時間以來，微晶硅已經成為最引人關注的光伏應用選擇材料之一。因此，人們正致力于微晶硅太陽能電池轉換效率的提高和成本的降低。值得注意的是，隨著人們對于光伏產品的需求日益增長，基于塑料柔性基材的器件，如聚乙烯(PE)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和其他柔性材料，正越來越多的應用在人們的日常生活中，這就使得人們迫切尋求一種新的等離子體源或來實現微晶硅的低溫沉積，實現柔性襯底的大規模應用。

　　眾所周知，柔性太陽能電池因其可折疊、穿戴、便攜等優點顯現出了良好的應用前景并廣泛應用在眾多特種領域中，如航天、軍事和戶外作業等。與傳統太陽能電池不同，柔性太陽能電池，特別是基于塑料襯底如PET、PEN 和PI 制備的電池，由于襯底材料有較低的玻璃化轉變溫度和較低的熔點，需要低溫沉積薄膜。否則，在較高的溫度下沉積，如在玻璃板材上300 ℃沉積微晶硅薄膜，塑料襯底將會熔化。

　　本文中，我們研究了襯底材料對微晶硅薄膜生長的影響，并在低溫下制備出微晶硅薄膜，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為這個對于柔性基材尤為重要。具有高等離子體密度和低電子溫度的空心陰極等離子體增強化學氣相沉積(MHC-PECVD)被用來生長微晶硅薄膜。同時，我們比較了在三種不同襯底上制備的微晶硅薄膜的結晶率和表面形貌。

1、實驗

　　自制的空心陰極等離子體設備示意圖在圖1中給出。陰極由108 個直徑為3 mm 的小孔組成。陰極結構的詳細信息見文獻。在微晶硅薄膜的沉積中，二氯硅烷(SiH2Cl2)和氫氣(H2)分別作為前驅反應氣體和還原氣體，混合后通入真空腔室。沉積過程中，陰極到基片臺距離為20 mm，本底氣壓為5×10-3 Pa。為了研究襯底材料對微晶硅薄膜結構的影響，輸入功率Pw、工作氣壓Pr 和氣體比例R (二氯硅烷：氫氣) 分別保持在100 W、200Pa、0.015(3 sccm：200 sccm)，僅僅改變襯底溫度從120℃ 到300℃。在實驗過程中薄膜厚度保持在700 nm~800 nm。

圖1 自制空心陰極等離子體設備示意圖

　　我們用示波器(Tektronix DPO 4104，美國)測量I-V 曲線表征空心陰極的放電特性。表面輪廓儀(Veeco dektak150, 美國)用來測量薄膜厚度。薄膜的表面形貌由原子力顯微鏡(AFM, Veeco DIINNOVA, 美國)測量。薄膜的結晶性通過X 射線衍射(XRD, Rigaku D/max-220PC, 日本)和激光顯微共聚焦拉曼光譜儀(Raman，Horiba Jobin Yvon XploRA, 日本)研究。薄膜結晶率(Xc) 由532nm氬激光源拉曼光譜估算，樣品亞表面的結晶率由不同相的橫向光學模確定：Xc=(Ic+Ib)/(Ic+Ib+Ia)，這里的Ia、Ib 和Ic 分別代表480 cm-1 處非晶成分、510 cm-1 晶界處小于3 nm 小晶粒成分和520 cm-1柱狀晶成分的積分強度。

3、結論

　　我們發現薄膜結晶率與襯底材料有關。在玻璃和玻璃+ITO 襯底上制備微晶硅薄膜的結晶率比PI+ITO 襯底的高，分析AFM 圖之后我們認為PI+ITO 襯底上薄膜較低的結晶率與襯底的熱膨脹系數和小分子與氣體的釋放有關。由于薄膜的膨脹，團簇在PI+ITO 表面不均勻生長孤立成島，而在玻璃+ITO 表面均勻地聚集成核。