一種等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置及方法，屬于硅薄膜的制備【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法通過(guò)在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中使用熱絲(HWCVD)等離子體(PECVD)，和偏壓結(jié)合分解反應(yīng)氣體沉積硅薄膜（簡(jiǎn)稱結(jié)合方法(P-HWCVD)），通過(guò)對(duì)極板間距，射頻功率，偏壓，硅烷和氫氣濃度等參數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)硅薄膜微結(jié)構(gòu)、硅薄膜制備過(guò)程以及沉積速率的調(diào)控。同時(shí)，使用結(jié)合方法可以實(shí)現(xiàn)比單獨(dú)使用上述單一一種氣體分解方式有更高的氣體利用率，比單一使用熱絲法在超高速率制備的材料具有更好的質(zhì)量。在結(jié)合方法中制備出的硅薄膜材料與單一使用熱絲法制備的材料相比更適合用于太陽(yáng)電池。
【專利說(shuō)明】-種等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及硅薄膜的制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制 備硅薄膜的裝置及方法，該方法是以等離子體和熱絲相結(jié)合的方法分解反應(yīng)氣體，在平面 襯底表面制備硅薄膜，同時(shí)使用偏壓對(duì)硅薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量進(jìn)行控制。

【背景技術(shù)】
[0002] HWCVD是一種成熟的CVD技術(shù)，當(dāng)前廣泛的用于硅薄膜材料的制備過(guò)程中，HWCVD 具有設(shè)備簡(jiǎn)單、氣體分解效率高的優(yōu)勢(shì)。PECVD技術(shù)廣泛的用于硅薄膜太陽(yáng)電池的生產(chǎn)過(guò)程 中，RF生長(zhǎng)納米晶硅需要很低的硅烷濃度(小于2%)，生長(zhǎng)速率很慢(小于1A/S )。HWCVD沉 積速率快，氣體利用率高，但是薄膜品質(zhì)不及PECVD的方法。將二者結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)比單獨(dú) 使用上述單一一種氣體分解方式更高的氣體利用率，比單一使用熱絲法在制備的材料具有 更好的質(zhì)量。
[0003] 偏壓技術(shù)可以在PECVD中實(shí)現(xiàn)對(duì)硅薄膜質(zhì)量的控制，通過(guò)偏壓的極性和強(qiáng)度可以 控制硅薄膜的生長(zhǎng)速率、晶化度和電學(xué)性質(zhì)，在PECVD使用直流、交流偏壓控制硅薄膜質(zhì)量 的技術(shù)得到了廣泛的研究。在結(jié)合方法中使用偏壓實(shí)現(xiàn)與PECVD中使用偏壓相似的效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置及方 法，該方法是在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中使用熱絲（HWCVD)、等離子體（PECVD)和偏壓結(jié)合分 解反應(yīng)氣體沉積硅薄膜的方法，以下簡(jiǎn)稱結(jié)合方法（P-HWCVD)。制備出的硅薄膜材料與單 一使用熱絲法制備的材料相比更適合用于太陽(yáng)電池。同時(shí)，使用結(jié)合方法（P-HWCVD)，可 以實(shí)現(xiàn)比單獨(dú)使用上述單一一種氣體分解方式具有更高的氣體利用率，比單一使用熱絲法 (HWCVD)在超高速率制備的材料具有更好的質(zhì)量。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0006] -種等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，包括設(shè)置于真空腔體內(nèi)部的 樣品臺(tái)、平板襯底、熱絲和射頻電極（等離子體電極），以及設(shè)置于真空腔體外部的射頻電 源、偏壓電源和直流電源；其中：所述熱絲設(shè)置于樣品臺(tái)與射頻電極之間，所述平板襯底固 定在樣品臺(tái)表面上；所述直流電源用于加熱所述熱絲，其兩極分別通過(guò)熱絲電極與所述熱 絲的兩端相連；所述偏壓電源用于在射頻電極（等離子體電極）和樣品臺(tái)之間施加偏壓， 偏壓電源與樣品臺(tái)連接；所述射頻電源(等離子體電源）用于產(chǎn)生等離子體，等離子體的外 層區(qū)域會(huì)自發(fā)產(chǎn)生鞘層電場(chǎng)，鞘層電場(chǎng)通過(guò)加速等離子體中的帶電物種對(duì)襯底造成離子轟 擊，所述射頻電源與射頻電極相連接。
[0007] 所述樣品臺(tái)與真空腔體之間無(wú)電接觸，所述射頻電極到襯底間的距離為0. 5? 30cm，最好是4?20cm，更好是4. 5?15cm ;所述熱絲到樣品臺(tái)表面的距離為1?8cm，更 好是2?5cm，最好是2?3. 5cm。
[0008] 所述樣品臺(tái)使用導(dǎo)電材料制作，通常為金屬，其電導(dǎo)率在103?108S/cm之間；所述 樣品臺(tái)表面的面積為100?1. 5X 104cm2,射頻電極表面的面積大于樣品臺(tái)的表面面積。
[0009] 所述樣品臺(tái)的表面采用向上、向下或傾斜的設(shè)計(jì)，傾斜設(shè)計(jì)的樣品臺(tái)表面與水平 面形成的二面角大于等于30°，襯底固定在樣品臺(tái)表面，在襯底表面進(jìn)行硅薄膜的沉積，以 減少等離子體產(chǎn)生粉塵對(duì)薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量的影響。
[0010] 所述熱絲為一根或多根，所述熱絲的形狀為直線形、螺線、網(wǎng)狀、呈費(fèi)馬螺線的曲 線或其它形狀；平行排列時(shí)，相鄰熱絲之間的間距為1?l〇cm，更好是1?7cm間，最好是 2?5cm間。
[0011] 當(dāng)多根熱絲的布局方式為平行排列時(shí)，所述熱絲電極為熱絲支架；所述熱絲支架 包括相互連接的支架I、支架II和用于支撐支架I的托架，所述支架I和支架II平行設(shè)置， 所述熱絲通過(guò)螺絲固定在支架I上；在真空腔中，使用帶有抓放裝置的磁力桿收回或放出 熱絲支架。
[0012] 所述襯底的材質(zhì)為玻璃、硅片或聚酰亞胺；所述熱絲的材質(zhì)為石墨、碳化鎢、氮化 鎢、碳化鉭、氮化鉭或金屬，金屬材質(zhì)的熱絲為鎢、錸、鉭、鑰、銠、鉬、鈦或銥的純金屬或者為 上述純金屬的合金。
[0013] 所述射頻電源類型為RF、VHF和直流中的一種，優(yōu)選使用RF電源；所述偏壓電源為 直流電源、方波發(fā)生器或正弦波發(fā)生器。
[0014] 利用上述裝置制備硅薄膜的方法，該方法以H2和SiH4作為反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體在 等離子體和熱絲的共同作用下發(fā)生分解，等離子體的鞘層電場(chǎng)對(duì)等離子體中的帶電物種進(jìn) 行加速，對(duì)襯底造成離子轟擊；施加的偏壓能夠增強(qiáng)或減弱離子對(duì)薄膜的轟擊強(qiáng)度以及調(diào) 節(jié)等離子體中離子和電子能量；通過(guò)對(duì)偏壓的大小、偏壓的形式、硅烷濃度、襯底和射頻電 極間距和/或射頻功率的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)所制備硅薄膜的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的控制。
[0015] 該方法中，樣品臺(tái)加熱溫度為100?350°C之間穩(wěn)定，真空腔體內(nèi)SiH4和H 2的體 積比為0. 5%-100%，調(diào)節(jié)真空腔體內(nèi)壓力在1?2000Pa間穩(wěn)定，開(kāi)啟直流電源對(duì)熱絲通電加 熱至1500?2200°C，開(kāi)啟等離子體電源(射頻電源)產(chǎn)生等離子體，控制射頻功率密度介于 0· 1 ?5. OW/cm2 之間。
[0016] 通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體電極與樣品表面間距，能夠調(diào)控硅薄膜的晶化程度；在等離子 體電極和樣品臺(tái)表面間距不改變的情況下，隨著等離子體功率密度的降低，硅薄膜晶化程 度逐漸降低。
[0017] 在等離子體和樣品臺(tái)之間施加偏壓為直流或交流；在等離子體和樣品臺(tái)之間施加 直流偏壓的范圍為-100V?100V，通過(guò)控制偏壓的極性和強(qiáng)度能夠調(diào)整薄膜的質(zhì)量；在等 離子體和樣品臺(tái)之間施加交流偏壓，頻率為20?20kHz，通過(guò)控制偏壓的頻率和強(qiáng)度能夠 調(diào)整薄膜的質(zhì)量、減少粉塵、優(yōu)化晶粒的取向并對(duì)晶粒的尺寸進(jìn)行控制。
[0018] 本發(fā)明原理如下：
[0019] 在現(xiàn)有的熱絲化學(xué)氣相沉積裝置中安裝等離子體源、熱絲電源以及偏壓控制電 源，反應(yīng)氣體在等離子體和熱絲的共同作用下發(fā)生分解。結(jié)合方法中等離子體可以促使薄 膜有效地發(fā)生晶化，隨著等離子體電極與樣品表面間距的不同，硅薄膜發(fā)生不同程度的晶 化。在相同等離子體電極和樣品臺(tái)表面間距情況下，隨著等離子體功率的降低，硅薄膜晶化 程度逐漸降低；本發(fā)明中等離子體功率密度是指單位面積襯底的等離子體功率。
[0020] 通過(guò)偏壓控制電源增強(qiáng)或減弱離子對(duì)薄膜的轟擊以改善沉積過(guò)程和薄膜質(zhì)量，同 時(shí)通過(guò)偏壓調(diào)節(jié)等離子體中電子能量，同樣可以改善對(duì)制備硅薄膜的質(zhì)量。在等離子體和 樣品臺(tái)之間施加直流偏壓的范圍為-100V?100V，通過(guò)控制偏壓的極性和強(qiáng)度可以調(diào)整薄 膜的質(zhì)量。在等離子體和樣品臺(tái)之間施加交流偏壓，頻率20-20kHz，通過(guò)控制偏壓的頻率和 強(qiáng)度可以調(diào)整薄膜的質(zhì)量、減少粉塵、優(yōu)化晶粒的取向并對(duì)晶粒的尺寸進(jìn)行控制。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0022] 本發(fā)明是在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中使用熱絲和等離子體結(jié)合分解反應(yīng)氣體沉積硅 薄膜的方法，同時(shí)通過(guò)在等離子體電極和樣品臺(tái)之間施加偏壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅薄膜微結(jié)構(gòu) (包括組成如氫含量、Η鍵合方式、晶粒大小、晶粒生長(zhǎng)取向、晶化率、取向等)、硅薄膜制備過(guò) 程(如粉塵控制)以及沉積速率的調(diào)控。此外，通過(guò)使用垂直或向下傾斜的襯底布置，可以有 效避免沉積過(guò)程中粉塵污染。另外通過(guò)使用熱絲陣列，可以實(shí)現(xiàn)使用結(jié)合方法大面積制備 硅薄膜材料。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明結(jié)合裝置示意圖；圖中：（a)為樣品臺(tái)表面向上的結(jié)合裝置示意圖； (b)為樣品臺(tái)表面向下的結(jié)合裝置示意圖。
[0024] 圖2為使用熱絲平行陣列制備大面積硅薄膜的結(jié)合裝置示意圖。
[0025] 圖3為使用熱絲平行陣列制備大面積硅薄膜的結(jié)合裝置示意圖。
[0026] 圖4為在圖3裝置中使用帶有抓放裝置的磁力桿時(shí)其A處放大圖。
[0027] 圖5為帶有抓放裝置的磁力桿結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖6為使用結(jié)合裝置在不同等離子體電極高度下關(guān)閉等離子體時(shí)制備硅薄膜樣 品的拉曼結(jié)果，顯示硅薄膜均為非晶態(tài)。
[0029] 圖7為使用結(jié)合裝置在不同等離子體電極高度下開(kāi)啟等離子體時(shí)制備硅薄膜樣 品的拉曼結(jié)果，顯示硅薄膜發(fā)生不同程度的晶化。
[0030] 圖8為設(shè)置等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距為100. 0mm，使用不同等離子體功率 制備硅薄膜的拉曼光譜結(jié)果。
[0031] 圖9為設(shè)置等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距為72. 5mm，使用不同等離子體功率制 備硅薄膜的拉曼光譜結(jié)果。
[0032] 圖10為熱絲溫度為1800°C，隨著等離子體電極與樣品表面臺(tái)間距的增加，制備硅 薄膜的拉曼光譜結(jié)果。
[0033] 圖11為結(jié)合方法高速沉積條件下隨著等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距的增加， 制備的硅薄膜的拉曼光譜結(jié)果。
[0034] 圖12為設(shè)置等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距為100. 0mm，不同直流偏壓下使用結(jié) 合方法制備硅薄膜的拉曼光譜結(jié)果。
[0035] 圖13為設(shè)置等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距為72. 5mm，不同直流偏壓下使用結(jié) 合方法制備硅薄膜的拉曼光譜結(jié)果。
[0036] 圖中：1_真空腔體，2-樣品臺(tái)，3-平板襯底，4-熱絲電極，5-熱絲，6-射頻電極， 7_射頻電源，8-偏壓電源，9-直流電源，10-熱絲支架I，11-托架，12-熱絲支架II，13-磁 力桿，14-抓放裝置。

【具體實(shí)施方式】
[0037] 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。
[0038] 圖1為本發(fā)明等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，該裝置是對(duì)現(xiàn)有熱 絲化學(xué)氣相沉積裝置的改進(jìn)，包括設(shè)置于真空腔體1內(nèi)部的樣品臺(tái)2、平板襯底3、熱絲5和 射頻電極6,以及設(shè)置于真空腔體1外部的射頻電源7、偏壓電源8和直流電源9 ;所述熱絲 5設(shè)置于樣品臺(tái)2與射頻電極6之間，所述平板襯底3固定在樣品臺(tái)2表面上；所述直流電 源9用于加熱所述熱絲5,其兩極分別通過(guò)熱絲電極4 (導(dǎo)電材料制成）與所述熱絲5的兩 端相連；所述偏壓電源8用于在射頻電極6和樣品臺(tái)2之間施加偏壓，偏壓電源8與樣品臺(tái) 2連接；所述射頻電源7用于產(chǎn)生等離子體，等離子體的外層區(qū)域會(huì)自發(fā)產(chǎn)生鞘層電場(chǎng)，鞘 層電場(chǎng)通過(guò)加速等離子體中的帶電物種對(duì)襯底3造成離子轟擊，所述射頻電源7與射頻電 極6相連接。
[0039] 所述樣品臺(tái)2與真空腔體1之間無(wú)電接觸，所述射頻電極6到襯底間的距離為 0. 5?30cm，最好是4?20cm，更好是4. 5?15cm ;所述熱絲5到樣品臺(tái)2表面的距離為 1?8cm，更好是2?5cm，最好是2?3. 5cm。所述樣品臺(tái)2使用導(dǎo)電材料制作，通常為金 屬，其電導(dǎo)率在1〇3?l〇8S/cm之間；所述樣品臺(tái)2表面的面積為100?1.5X10 4cm2,射頻 電極6表面的面積大于樣品臺(tái)的表面面積。所述樣品臺(tái)2的表面米用向上（圖1(a))、向下 (圖1 (b))或傾斜的設(shè)計(jì)，傾斜設(shè)計(jì)的樣品臺(tái)2表面與水平面形成的二面角大于等于30°， 襯底3固定在樣品臺(tái)2表面，在襯底3表面進(jìn)行硅薄膜的沉積。
[0040] 在結(jié)合方法中使用單根熱絲沉積硅薄膜，只能在襯底表面一定面積范圍內(nèi)保持沉 積硅薄膜的均勻，當(dāng)需要應(yīng)用更大面積的襯底時(shí)需要使用非直線形狀的熱絲或多根熱絲， 熱絲的形狀為直線形、螺線、網(wǎng)狀、呈費(fèi)馬螺線的曲線或其它形狀；多根熱絲的布局可以是 交叉排列、平行排列或其他排列方式，首選使用多根熱絲平行排列。當(dāng)多根熱絲平行排列 時(shí)，相鄰熱絲之間的間距為1?10cm，更好是1?7cm間，最好是2?5cm間，襯底的尺寸優(yōu) 選為 lOOcmX 150cm。
[0041] 當(dāng)多根熱絲的布局方式為平行排列時(shí)，所述熱絲電極為熱絲支架，采用熱絲支架 進(jìn)行硅薄膜沉積的結(jié)合裝置如圖2-3所示；所述熱絲支架包括相互連接的支架I 10、支架 Π 12和用于支撐支架I 10的托架11，所述支架I 10和支架II 12平行設(shè)置，所述熱絲通過(guò) 螺絲固定在支架I 10上；在真空腔中，使用帶有抓放裝置14的磁力桿13收回或放出熱絲 支架（圖4-5)。抓放裝置14可沿其與磁力桿13連接處的單一軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而拿起、釋放熱絲支 架。
[0042] 利用上述結(jié)合裝置制備硅薄膜的方法(結(jié)合方法)，該方法以H2和SiH4作為反應(yīng) 氣體，反應(yīng)氣體在等離子體和熱絲的共同作用下發(fā)生分解，等離子體的鞘層電場(chǎng)對(duì)等離子 體中的帶電物種進(jìn)行加速，對(duì)襯底造成離子轟擊；施加的偏壓能夠增強(qiáng)或減弱離子對(duì)薄膜 的轟擊強(qiáng)度以及調(diào)節(jié)等離子體中離子和電子能量；通過(guò)對(duì)偏壓的大小、偏壓的形式、硅烷濃 度、襯底和射頻電極間距和/或射頻功率的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)所制備硅薄膜的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的控 制。
[0043] 該方法中，樣品臺(tái)加熱溫度為100?350°C之間穩(wěn)定，真空腔體內(nèi)SiH4和H 2的體 積比為0. 5%-100%，調(diào)節(jié)真空腔體內(nèi)壓力在1?2000Pa間穩(wěn)定，開(kāi)啟直流電源對(duì)熱絲通電加 熱至1500?2200°C，開(kāi)啟射頻電源產(chǎn)生等離子體，控制射頻功率密度介于0. 1?5. OW/cm2 之間。
[0044] 實(shí)施例1
[0045] 使用結(jié)合方法沉積硅薄膜，主要步驟為：將襯底固定在結(jié)合裝置的樣品臺(tái)上，使用 平板玻璃、硅片作為襯底。將熱絲固定在熱絲電極上，通過(guò)調(diào)整電極高度控制熱絲到襯底表 面距離為35mm，熱絲材料為金屬鎢，向真空腔通入使用H 2稀釋的SiH4氣體，SiH4的體積分 數(shù)為5%，控制系統(tǒng)壓力維持在20Pa，通電使熱絲加熱到1600°C。在襯底表面得到硅薄膜材 料(本實(shí)施例中不開(kāi)啟等離子體電源)。在不同等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距下制備硅薄 膜材料的拉曼光譜如圖6所示，圖6中硅薄膜的拉曼光譜顯示硅薄膜均為非晶態(tài)。
[0046] 實(shí)施例2
[0047] 與實(shí)施例1不同之處在于：熱絲溫度為1600°C，開(kāi)啟RF源，等離子體起輝，控制等 離子體單位面積的功率為1.35W/cm 2。在不同等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距下制備硅薄 膜材料的拉曼光譜如圖7所示，圖7中硅薄膜的拉曼光譜顯示結(jié)合方法中等離子體可以促 使薄膜有效地發(fā)生晶化。隨著等離子體電極與樣品表面間距的不同，硅薄膜發(fā)生不同程度 的晶化。
[0048] 實(shí)施例3
[0049] 與實(shí)施例2不同之處在于：設(shè)置等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距100. 0mm，在不同 等離子體功率密度下制備硅薄膜材料的拉曼光譜如圖8所示，圖8中硅薄膜的拉曼光譜顯 示結(jié)合方法中等離子體可以促使薄膜有效地發(fā)生晶化。隨著等離子體功率密度的不同，硅 薄膜發(fā)生不同程度的晶化。
[0050] 實(shí)施例4
[0051] 與實(shí)施例3不同之處在于：設(shè)置等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距72. 5mm，在不同 等離子體功率密度下制備硅薄膜材料的拉曼光譜如圖9所示，圖9中硅薄膜的拉曼光譜顯 示結(jié)合方法中等離子體可以促使薄膜有效地發(fā)生晶化。隨著等離子體功率密度的不同，硅 薄膜發(fā)生不同程度的晶化。
[0052] 實(shí)施例5
[0053] 與實(shí)施例2不同之處在于：熱絲溫度為1800°C，在不同等離子體電極與樣品臺(tái)表 面間距下制備硅薄膜材料的拉曼光譜如圖10所示，圖10中硅薄膜的拉曼光譜顯示結(jié)合方 法中隨著等離子體電極與樣品表面間距的減小，制備的微晶硅薄膜晶化度略有降低，晶粒 尺寸逐漸減小。
[0054] 實(shí)施例6
[0055] 與實(shí)施例2不同之處在于：壓強(qiáng)為50Pa，熱絲與樣品臺(tái)表面間距為20mm，在不同等 離子體電極與樣品臺(tái)表面間距下制備硅薄膜材料的拉曼光譜如圖11所示，圖11中硅薄膜 的拉曼光譜顯示結(jié)合方法中隨著等離子體電極與樣品臺(tái)表面間距的增加，制備的微晶硅薄 膜晶化度略有升高。
[0056] 實(shí)施例7
[0057] 與實(shí)施例2不同之處在于：固定電極與樣品臺(tái)表面間距為45. 0mm，通過(guò)直流源在 樣品臺(tái)和等離子體之間施加直流偏壓，通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓極性和強(qiáng)度，得到結(jié)果如圖12所示， 圖12中硅薄膜的拉曼光譜顯示隨著施加直流偏壓由正到負(fù)變化過(guò)程中硅薄膜晶化度逐漸 增加。
[0058] 實(shí)施例8
[0059] 與實(shí)施例7不同之處在于：固定電極與樣品臺(tái)表面間距為72. 5mm，通過(guò)直流源在 樣品臺(tái)和等離子體之間施加直流偏壓，通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓極性和強(qiáng)度，得到結(jié)果如圖13所示， 圖13中硅薄膜的拉曼光譜顯示隨著施加直流偏壓由正到負(fù)變化過(guò)程中硅薄膜晶化度逐漸 增加。
[0060] 以上實(shí)施例表明，采用本發(fā)明裝置及方法進(jìn)行硅薄膜的沉積中，通過(guò)調(diào)節(jié)等離子 體電極與樣品表面間距，能夠調(diào)控硅薄膜的晶化程度；在等離子體電極和樣品臺(tái)表面間距 不改變的情況下，隨著等離子體功率密度的降低，硅薄膜晶化程度逐漸降低；在等離子體和 樣品臺(tái)之間施加偏壓，通過(guò)控制偏壓的極性/頻率和強(qiáng)度能夠調(diào)整薄膜的質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1. 一種等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：該裝置包括設(shè)置 于真空腔體內(nèi)部的樣品臺(tái)、平板襯底、熱絲和射頻電極，以及設(shè)置于真空腔體外部的射頻電 源、偏壓電源和直流電源；其中：所述熱絲設(shè)置于樣品臺(tái)與射頻電極之間，所述平板襯底固 定在樣品臺(tái)表面上；所述直流電源用于加熱所述熱絲，其兩極分別通過(guò)熱絲電極與所述熱 絲的兩端相連；所述偏壓電源用于在射頻電極和樣品臺(tái)之間施加偏壓，偏壓電源與樣品臺(tái) 相連接；所述射頻電源用于產(chǎn)生等離子體，等離子體的外層區(qū)域會(huì)自發(fā)產(chǎn)生鞘層電場(chǎng)，鞘層 電場(chǎng)通過(guò)加速等離子體中的帶電物種對(duì)襯底造成離子轟擊，所述射頻電源與射頻電極相連 接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在于： 所述樣品臺(tái)與真空腔體之間無(wú)電接觸，所述射頻電極到襯底間的距離為〇. 5?30cm，所述 熱絲到樣品臺(tái)的距離為1?8cm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在于： 所述樣品臺(tái)使用導(dǎo)電材料制作，其電導(dǎo)率為1〇3?l〇8S/cm之間；所述樣品臺(tái)表面的面積為 100?1. 5X 104cm2,射頻電極表面的面積大于樣品臺(tái)的表面面積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在于： 所述樣品臺(tái)的表面采用向上、向下或傾斜的設(shè)計(jì)，傾斜設(shè)計(jì)的樣品臺(tái)表面與水平面形成的 二面角大于等于30°，襯底固定在樣品臺(tái)表面，在襯底表面進(jìn)行硅薄膜的沉積，以減少等離 子體產(chǎn)生粉塵對(duì)薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量的影響。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在于： 所述熱絲為一根或多根，所述熱絲的形狀為直線形、螺線、網(wǎng)狀、呈費(fèi)馬螺線的曲線或其它 形狀；當(dāng)采用多根熱絲時(shí)，其布局為交叉排列、平行排列或其它排列方式；平行排列時(shí)，相 鄰熱絲之間的間距為1?l〇cm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在于： 當(dāng)多根熱絲的布局方式為平行排列時(shí)，所述熱絲電極為熱絲支架；所述熱絲支架包括相互 連接的支架I、支架II和用于支撐支架I的托架，所述支架I和支架II平行設(shè)置，所述熱絲 通過(guò)螺絲固定在支架I上；在真空腔中，使用帶有抓放裝置的磁力桿收回或放出熱絲支架。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在 于：所述襯底的材質(zhì)為玻璃、硅片或聚酰亞胺；所述熱絲的材質(zhì)為石墨、碳化鎢、氮化鎢、碳 化鉭、氮化鉭或金屬，金屬材質(zhì)的熱絲為鎢、錸、鉭、鑰、銠、鉬、鈦或銥的純金屬或其合金。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結(jié)合制備硅薄膜的裝置，其特征在于： 所述射頻電源類型為RF、VHF和直流中的一種；所述偏壓電源為直流電源、方波發(fā)生器或正 弦波發(fā)生器。
9. 利用權(quán)利要求1-8任一所述的裝置制備硅薄膜的方法，其特征在于：該方法以H2和 SiH4作為反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體在等離子體和熱絲的共同作用下發(fā)生分解，等離子體的鞘層 電場(chǎng)對(duì)等離子體中的帶電物種進(jìn)行加速，對(duì)襯底造成離子轟擊；施加的偏壓能夠增強(qiáng)或減 弱離子對(duì)薄膜的轟擊強(qiáng)度以及調(diào)節(jié)等離子體中離子和電子能量；通過(guò)對(duì)偏壓的大小、偏壓 的形式、硅烷濃度、襯底和射頻電極間距和/或射頻功率的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)所制備硅薄膜的結(jié) 構(gòu)和質(zhì)量的控制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備硅薄膜的方法，其特征在于：該方法中，樣品臺(tái)溫度為 100?350°C之間穩(wěn)定，真空腔體內(nèi)SiH4和H2的體積比為SiH4 :Η2=0· 5%?100%，調(diào)節(jié)真空 腔體內(nèi)壓力在1?2000Pa間穩(wěn)定，開(kāi)啟直流電源對(duì)熱絲通電加熱至1500?2200°C，開(kāi)啟射 頻電源產(chǎn)生等離子體，控制射頻功率密度介于〇. 1?5. OW/cm2之間。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的制備硅薄膜的方法，其特征在于：通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體 電極與樣品表面間距，能夠調(diào)控硅薄膜的晶化程度；在等離子體電極和樣品臺(tái)表面間距不 改變的情況下，隨著等離子體功率密度的降低，硅薄膜晶化程度逐漸降低。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的制備硅薄膜的方法，其特征在于：在等離子體和樣品 臺(tái)之間施加直流偏壓的范圍為-100?100V，通過(guò)控制偏壓的極性和強(qiáng)度能夠調(diào)整薄膜的 質(zhì)量；在等離子體和樣品臺(tái)之間施加交流偏壓，頻率為20?20kHz，通過(guò)控制偏壓的頻率和 強(qiáng)度能夠調(diào)整薄膜的質(zhì)量、減少粉塵、優(yōu)化晶粒的取向并對(duì)晶粒的尺寸進(jìn)行控制。
【文檔編號(hào)】C23C16/517GK104099585SQ201310121151
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月9日
【發(fā)明者】李 燦, 秦?zé)? 劉生忠, 王書博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所