一種非平行板式電容耦合等離子體化學(xué)氣相沉積方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于等離子體化學(xué)氣相沉積的薄膜沉積方法，屬于等離子體化學(xué) 氣相沉積方法技術(shù)領(lǐng)域，可應(yīng)用于高效晶硅太陽能電池的各種鈍化薄層包括非晶硅、非晶 氮化硅、非晶二氧化硅以及非晶碳化硅等的制備。
【背景技術(shù)】
[0002] 等離子體是由許多做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的自由帶電粒子組成的一個(gè)集合。在宏觀上看來， 等離子體成電中性。其最簡單的形成方法是通過射頻電壓源驅(qū)動(dòng)兩極板，使得在極板間的 低壓氣體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，當(dāng)電流從一個(gè)極板流向另一個(gè)極板時(shí)，氣體被"擊穿"而產(chǎn)生等離 子體。等離子體放電可以產(chǎn)生具有化學(xué)活性的物質(zhì)，因此可以制造出一些具有獨(dú)特性質(zhì)的 材料，如金剛石薄膜、太陽能電池中使用的非晶硅、微晶硅和氮化硅、新型單層二維材料如 石墨烯等；等離子體還可以被用來處理材料表面，目前被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中超大規(guī)模 集成電路的生產(chǎn)、航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)、鋼鐵冶煉和有害廢棄物處理等方面。
[0003] 等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)對于當(dāng)今工業(yè)晶硅太陽能電池和高效異質(zhì)結(jié)太 陽能電池（HIT)起著極其重要的作用。在工業(yè)晶硅太陽能電池生產(chǎn)線中，由平行板式電容 耦合等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD)或者微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MWPCVD)制備的非 晶氮化硅薄膜起著表面鈍化和光學(xué)減反的作用；在高效HIT太陽能電池中，由PECVD或者 ICPCVD制備的非晶硅薄膜起著表面鈍化和構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的作用。其中，PECVD是一種適合大 規(guī)模生產(chǎn)的低溫沉積技術(shù)，有利于降低成本，但其存在著自身的不足，主要表現(xiàn)在等離子體 的不穩(wěn)定性和等離子體對晶體硅表面的損傷。與PECVD相比，ICPCVD和MWPCVD的等離子 體密度高的多，因此氣體利用率較高，可實(shí)現(xiàn)較高的沉積速率。但是，過高的等離子體密度 很容易對襯底表面產(chǎn)生過度損傷，導(dǎo)致所制備的薄膜缺陷過高，嚴(yán)重影響器件的效率。
[0004] 對于PECVD和ICPCVD，電（磁）場驅(qū)動(dòng)的等離子體都由高能電子（1~20eV)、正離 子、活性和非活性分子組成，其中正離子不可避免會(huì)轟擊襯底造成襯底損傷以及薄膜缺陷。 圖1(a)和圖1(b)是兩種等離子體沉積技術(shù)的示意圖。如圖1(a)所示，PECVD的交變電場 垂直于襯底表面，因此只有提高等離子體的發(fā)生頻率才能顯著降低離子轟擊效應(yīng)，這也是 為什么通常只有高頻或甚高頻PECVD才能制備出低損傷、高質(zhì)量的非晶硅薄膜。但是，頻率 越高，等離子體分布越不均勻，會(huì)導(dǎo)致襯底表面的成膜均勻性變差。如圖1(b)所示，ICPCVD 中等離子體工作于感性放電模式，不僅電子密度極高（10 12_1013cnT3)，而且相應(yīng)的正離子密 度也非常高，正離子在電磁場作用下可向不同方向運(yùn)動(dòng)，靠近等離子體殼層的正離子會(huì)在 殼層電場的加速下轟擊襯底表面，從而對襯底造成過度損傷。
[0005] 因此，開發(fā)出一種等離子體密度較低，對材料表面損傷較小的溫和的等離子體沉 積技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問題：本發(fā)明提出一種基于等離子體化學(xué)氣相沉積的新型薄膜沉積技術(shù)，以 解決傳統(tǒng)等離子體沉積技術(shù)（PECVD和ICPCVD)中存在的由于等離子體轟擊襯底表面而造 成的襯底損傷或者薄膜缺陷等問題。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明涉及一種非平行板式電容耦合等離子體化學(xué)氣相沉積方法，其 系統(tǒng)構(gòu)成以及基本原理圖如圖2所示。其中圖2(a)展示的是系統(tǒng)構(gòu)成，該裝置主要由六部 分組成，包括射頻發(fā)生器21、匹配網(wǎng)絡(luò)22、平面電感線圈23、柱狀不銹鋼真空室24、石英玻 璃25和襯底支架26。射頻發(fā)生器采用0. 5MHZ的低頻交流電源；匹配網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)電容（調(diào) 諧）和并聯(lián)電容（匹配）構(gòu)成；電感線圈采用平面矩形螺旋狀線圈，由直徑為6. 35_的銅 管纏繞而成，裸露于真空室外，內(nèi)部通有冷卻水以降低工作狀態(tài)下線圈的溫度；柱狀不銹鋼 真空室本底真空可高達(dá)1 X l(T4Pa，可通入硅烷、氫氣等氣體；石英玻璃厚度約為2厘米；襯 底支架可加熱可旋轉(zhuǎn)。圖2(b)是平面矩形螺旋狀線圈的俯視圖。平面螺線圈和真空室頂 部的石英玻璃的距離為3mm左右。在工作狀態(tài)下，低頻射頻源（500kHz)通過一個(gè)電容匹配 網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動(dòng)平面螺線圈，如圖2(a)所示。
[0008] 圖2(c)是非平行板式電容耦合等離子體系統(tǒng)的能量運(yùn)輸機(jī)制的等效電路圖，主 要由三個(gè)部分組成，分別是射頻發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡(luò)和等離子體負(fù)載。其中V。是射頻發(fā)生器 的開路電壓，R。是射頻發(fā)生器的內(nèi)阻。CJPC 2是匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電容，通過調(diào)諧他們可 以使放電系統(tǒng)達(dá)到匹配。CjP Cp是等離子體工作于容性放電模式下的兩個(gè)等效電容，L。和 R。分別是平行螺線圈的電感和電阻，LjPR p分別是等離子體的等效電容和等離子體的等效 電阻。因此負(fù)載總電容為L = L。-!^，總電阻為R = &+&。射頻電源的能量通過電容和電感 耦合的方式，從平面螺旋狀線圈轉(zhuǎn)移到等離子體中。
[0009] 有益效果：本發(fā)明所涉及的溫和等離子體沉積技術(shù)，在非平行板式電容耦合等離 子體放電過程中，較低的射頻輸入功率導(dǎo)致較低的線圈電流及較厚的等離子體鞘層，使電 感耦合產(chǎn)生的電場遠(yuǎn)低于電容耦合產(chǎn)生的徑向靜電場，因此徑向靜電場起主導(dǎo)作用。徑向 靜電場使極小部分的先驅(qū)氣體電離，但產(chǎn)生的大部分電子都不能獲得足夠的能量而進(jìn)一步 深度電離，使氣體離化率很低，等離子體密度也非常低（~10 1(lcnT3,與PECVD的量級大致相 當(dāng)）；同時(shí)由于此徑向靜電場與襯底表面平行，使得正離子的運(yùn)動(dòng)被約束在與襯底表面平 行的方向。因此，非平行板式電容耦合等離子體技術(shù)主要從降低正離子密度和約束正離子 運(yùn)動(dòng)方向兩個(gè)方面，來顯著抑制等離子體沉積過程中正離子對襯底表面的轟擊，從而降低 表面損傷。此外非平行板式電容耦合等離子體的電感天線裸露于真空室外面，可避免沉積 過程中電極與襯底的交叉污染，有效提高薄膜的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0010] 圖1(a)是PECVD工作原理圖以及等離子體中的正離子運(yùn)動(dòng)示意圖。
[0011] 圖1(b)是ICPCVD的工作原理圖以及等離子體中的正離子運(yùn)動(dòng)示意圖。
[0012] 圖2(a)是非平行板式電容耦合等離子體系統(tǒng)的工作原理圖以及等離子體中的正 離子運(yùn)動(dòng)示意圖。
[0013]圖2(b)是平面矩形螺旋狀線圈在容性放電模式下產(chǎn)生的徑向靜電場示意圖。 [0014]圖2(c)是非平行板式電容耦合等離子體系統(tǒng)的能量運(yùn)輸機(jī)制示意圖。
[0015] 符號說明
[0016] 21:射頻發(fā)生器 22:匹配網(wǎng)絡(luò)
[0017] 23:平面電感線圈 24:不銹鋼真空室
[0018] 25 :石英玻璃 26 :襯底支架
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)闡述。
[0020] 首先，為了方便闡述，我們定義以通過平面螺線圈中心并且垂直于線圈向下的方 向?yàn)閆軸正方向，定義垂直Z軸的方向?yàn)閞方向。在圖2 (a)中，當(dāng)平面螺線圈23由射頻發(fā) 生器21注入較低頻（500kHz)電流時(shí)，放電空間同時(shí)存在兩種不同的電場，分別是由線圈兩 端的電位差建立的徑向靜電場（電容耦合）和由放電空間磁場變化產(chǎn)生的渦旋電場（電感 耦合）。在非平行板式電容耦合等離子體放電模式下，射頻輸入功率較低，導(dǎo)致較低的線圈 電流及較厚的等離子體殼層，使電感耦合產(chǎn)生的電場遠(yuǎn)低于電容耦合產(chǎn)生的徑向靜電場。 因此，徑向靜電場維持的等離子體放電起主導(dǎo)作用。然而徑向靜電場對于電子的加速作用 有限，電子所獲得的能量也有限，因此只能使極小部分的先驅(qū)氣體電離，但產(chǎn)生的大部分電 子都不能獲得足夠的能量而進(jìn)一步深度電離，導(dǎo)致氣體離化率很低，同時(shí)等離子密度也非 常低。另一方面，與襯底表面平行的徑向靜電場使正離子的運(yùn)動(dòng)被約束在與襯底表面平行 的r方向。此時(shí)，等離子體在真空室24中的狀態(tài)是沿著r方向運(yùn)動(dòng)，并且其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨著 z方向逐漸遞減；同時(shí)，樣品襯底被放置在保持旋轉(zhuǎn)的襯底支架26上以保證沉積薄膜的均 勻性。因此，在非平行板式電容耦合等離子體化學(xué)氣相沉積過程中，等離子體對襯底表面的 損傷可以被有效抑制，也就是說等離子體中的活性分子能以一種溫和的方式均勻地沉積在 襯底表面，形成高質(zhì)量薄膜。
[0021] 在非平行板式電容耦合等離子體工作過程中，為了使其獲得最大的傳輸功率，我 們通過匹配網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行匹配。下面我們將對其匹配原理進(jìn)行簡單計(jì)算。在圖2(c)中，從 端點(diǎn)A-A'向右看的導(dǎo)納為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型的可避免襯底損傷的薄膜沉積方法，即非平行班式電容耦合等 離子體化學(xué)氣相沉積方法，其特征是通過設(shè)計(jì)電感天線的形狀（采用平 面矩形螺旋狀線圈）、控制射頻輸入功率以及控制調(diào)諧匹配電容，實(shí)現(xiàn)在 較低輸入功率下的電容親合穩(wěn)定放電；包括： 一、 平面矩形螺旋狀線圈； 二、匹配網(wǎng)絡(luò)； 三、 低頻電源發(fā)生器； 四、 柱狀不銹鋼真空室； 五、 石英玻璃； 六、 襯底支架。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面矩形螺旋狀線圈，其特征在于：平面矩形螺旋狀，并且通 入循環(huán)冷卻水。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于：由串聯(lián)電容和并聯(lián)電容組成，串聯(lián)電 容為可調(diào)諧電容，并聯(lián)電容為固定電容。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻電源發(fā)生器，其特征在于：選用低頻（0. 5MHz或者2MHz) 的射頻電源，一般采用優(yōu)儀（AdvancedEnergy)的roX5000或者roX8000。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱狀不銹鋼真空室，其特征在于：不銹鋼真空室上方開口以 便擱置石英玻璃；氣體從柱狀不銹鋼真空室的上方環(huán)繞腔壁進(jìn)氣，抽氣系統(tǒng)則在不銹鋼真 空室的底部環(huán)繞底部中心抽氣，使得氣體對流呈高度的對稱性，有利于薄膜均勻沉積。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英玻璃，其特征在于：選用厚度約為2厘米的石英玻璃，大 小與柱狀不銹鋼真空室的開口相當(dāng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉底支架，其特征在于：可旋轉(zhuǎn)、可升降、可加熱到400度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄膜沉積方法，特別是非平行板式電容耦合等離子體化學(xué)氣相沉積方法，包括平面矩形螺旋狀電感天線、低頻電源發(fā)生器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、柱狀真空室、石英玻璃和襯底支架。本發(fā)明通過控制射頻輸入功率以及調(diào)諧匹配電容，實(shí)現(xiàn)了在真空室內(nèi)的電容耦合穩(wěn)定放電：等離子體密度較低，并且線圈兩端的電位差建立的與襯底表面平行的徑向靜電場起主導(dǎo)作用，使得正離子的運(yùn)動(dòng)被約束在與襯底表面平行的方向。所以本發(fā)明從兩方面即降低等離子體密度和約束正離子運(yùn)動(dòng)方向著手，可顯著抑制化學(xué)氣相沉積過程中正離子對薄膜表面的轟擊，降低表面損傷。此系統(tǒng)可用于制備高效晶硅太陽能電池中必需的各種鈍化層，如非晶硅和非晶氮化硅等。
【IPC分類】C23C16-505
【公開號】CN104694906
【申請?zhí)枴緾N201510067829
【發(fā)明人】肖少慶, 張學(xué)成, 顧曉峰, 丁榮
【申請人】江南大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月9日