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本论文工作利用PECVD设备，以Ar作为放电气体，采用SiH4分解法在不同基片和工艺条件下沉积了微晶硅薄膜。采用SEM、TEM、AFM、XRD、Raman和FTIR等表征分析手段对薄膜的结晶状态、微观组织结构、以及相结构进行观察分析，期望通过研究Ar放电条件下微晶硅薄膜的生长机制及性能，深化对微晶硅薄膜生长过程的理解，为研究Ar放电制备微晶硅薄膜的基本规律提供实验依据和理论支持。同时，本论文工作也为快速低温制备多晶硅技术的发展提供思路，对多晶硅制备工艺的改进及能耗降低具有重要意义。主要研究内容包括如下：
通过对比H2、Ar分别作为放电气体时，微晶硅薄膜的沉积速率及生长状态，确定了Ar放电制备微晶硅薄膜的优越性。Ar放电时，薄膜的沉积速率约为H2放电时的1.5-2倍，而薄膜中的H含量要低于H2放电的情况；在相同的工艺参数下，两种放电气体得到的薄膜具有相同的择优取向和相似的晶粒度，且与基体结合良好，薄膜生长致密均匀。
考察了Ar流量、微波功率、基片温度以及基体材料对薄膜的沉积速率、结晶状态、微观组织结构、以及薄膜中的H含量的影响，研究了薄膜的生长机制，建立了薄膜生长模型。当SiH4流量为10sccm时，提高Ar流量，有助于提高薄膜的结晶度，而薄膜的沉积速率则是在Ar=70sccm时达到最快，此时薄膜中的H含量也最低，即SiH4与Ar的最佳流量比为10：70。微波功率的最优值为600 W，此时，薄膜的沉积速率和表面粗糙度均达到最大值；而薄膜的结晶度也接近65％，且薄膜中的H含量较低。随着基片温度的提高，薄膜的沉积速率和H含量分别单调增大和单调减小；而结晶度由于取决于沉积速率和Si原子自扩散能力两方面因素，因此随基片温度升高，结晶度先增大，后减小，再增大；基体材料的变化将影响薄膜的最初形核率，因此基片对薄膜沉积速率的影响随着Ar流量、微波功率和基片温度等参数的增大而逐渐减小。同时基片对薄膜择优取向和粗糙度也有较大影响，晶粒在具有择优取向的基片上纵向生长速度较快，薄膜粗糙度较大，而在玻璃基片上晶粒横向生长速度较快，薄膜粗糙度相对较小。研究认为薄膜的生长机理为刻蚀与扩散相互结合机制。薄膜的生长模型为：在薄膜生长初期，薄膜生长主要是依靠热涨落气相原子吸附于生长表面，这些原子再相互联合、吞并，最后形核。由于等离子体中大量H的存在，H将与薄膜表面的悬挂键结合，随着等离子体中的活性基团SiH2在沉积表面的运动和扩散，将逐渐夺走沉积表面的H原子，从而形成Si—Si键。等离子体中的Ar+能将部分结合较弱的以无定形状态存在的Si—Si弱键刻蚀掉，最后形成具有一定结晶度的薄膜。
研究了薄膜生长状态对薄膜光学性能和电学性能的影响，探讨了薄膜组织结构对薄膜性能的影响机制。薄膜中的H含量和结晶度对薄膜的光学性能影响较大，而电学性能则是受到结晶度和晶粒尺寸的影响。随着薄膜中H含量的降低，薄膜在可见光波段的光学吸收系数逐渐增大，禁带宽度逐渐减小，有助于提高薄膜的光学性能；随着薄膜的微观组织逐渐由非晶转化为微晶，虽然薄膜的禁带宽度将降低，但其在可见光波段的光学吸收系数将减小，不利于薄膜光学性能的提高。因此，需要有效控制H含量及微观组织才能够得到具有良好光学性能的薄膜。由于纳米晶和非晶具有不同的带隙和能带结构，因此微晶硅中的纳米晶和非晶界面相当于一个异质结，利用异质量子点模型很好的解释了微晶硅薄膜的电学特性。尺寸较大的晶粒，受量子阱效应影响较小，界面势垒高度较大；而尺寸较小的晶粒，受量子阱效应影响较大，则界面势垒高度较小。而电导率与结晶度的关系略为复杂，当结晶度低于65％时，薄膜的暗电导率随着结晶度的增大而增大，当结晶度高于65％时，薄膜的电学性能反而下降，即控制太阳电池微晶硅薄膜本征层的结晶度和晶粒尺寸，能够提高太阳电池的光电性能。