通過等離子體cvd方法形成沉積膜的裝置和方法
2023-10-11 18:18:24 1
專利名稱：通過等離子體cvd方法形成沉積膜的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種在基底上形成沉積膜的裝置和方法，其中該基底置於真空室內，以使它與置於所述真空室內的放電能量施加電極相對，通過在所述基底和所述電極之間產生等離子體而使存在於所述真空室內的原材料氣體分解，從而在所述的基底上沉積膜。
作為採用光電元件的一種典型的電子器件，太陽能電池是應當提及的，它能把太陽光能或別的光能轉化為電能。由於太陽能電池具有例如安全、易於控制和可用作一種不會產生CO2累積就能提供清潔能量的能源等優點，最近公眾的注意力已經集中到採用太陽能電池的能量產生系統。
另外，已經提出能夠用於包括太陽能電池在內的電子器件生產的各種非晶體半導體材料。在這些非晶體半導體材料中，注意力已經固定在非晶體矽(a-Si)半導體材料上，這是由於這種材料具有這樣的優點它們易於形成於一個大面積的薄膜，相對於它們的組分來說具有較大的設計自由度；從它們的電學和光學特性而言，它們在大範圍中都易於控制，所以，它們適宜於作為包括太陽能電池在內的各種電子器件的成分。特別是，含有這種a-Si半導體材料的膜(以下稱為「a-Si膜」)比含有晶體矽半導體材料的膜(以下稱為「晶體矽膜」)更有利，即a-Si膜對太陽光能量分布峰值附近的一個能量值具有比晶體矽膜更大的吸收率，a-Si膜能夠在比形成晶體矽膜的成膜溫度還低的溫度(基底溫度)下形成，而且，通過輝光放電，a-Si膜可以由含矽的原材料中直接在一個給定的基底上形成。基於這個理由，已經普遍認為這種a-Si膜適合於作為一種太陽能電池成分，而且實際上，它已經廣泛地用於太陽能電池的生產中。
現在，對於已被認為是將來能源措施中重要的一部份的太陽能電池來說，在研究和發展方面亟待降低生產成本且提高性能。為了以理想的低生產成本進行太陽能電池的生產，人們的注意力固定在能夠易於形成為薄膜的非晶體矽(a-Si)半導體材料上。迄今為止，已經提出各種在性能方面具有較高光電轉換效率的a-Si半導體膜。然而，這些a-Si半導體膜在降低生產成本方面仍然是不足的。作為此方面的一個原因，要提及的一個問題是它們的成膜速度(沉積速度)很低。例如在通過輝光放電沉積方法生產p-i-n結型太陽能電池的情形中，它的i-型半導體層通常以0.1到2/秒的較低的沉積速度形成。在此情形中，為了完全形成厚度為4000的這種i-型半導體層，需要花費大約30分鐘到2個小時這樣一段較長的時間。作為一種以高沉積速度形成這樣一種厚度較大的a-Si半導體層的方法，已經嘗試在其中採用100％SiH4氣體或100％Si2H6氣體。另外，日本特許公報No.56850/1993描述了可以通過縮短能量施加電極與能夠用作電極的基底之間的距離來增加沉積膜的沉積速度。
另外，日本特許公開公報No.232434/1994公開了一種利用卷裝進出型成膜裝置大量生產一種光電元件(太陽能電池)的方法。這種卷裝進出型成膜裝置包含多個成膜真空腔，這些真空腔具有通過氣門而相互連通的放電空間，該氣門設置在每相鄰的成膜真空腔之間，以使一個成膜真空腔的放電空間中的內部氣體與另一個成膜真空腔的放電空間中的內部氣體相隔開，所述多個成膜真空腔的每一個都具有一個從電源延伸出來的放電能量施加電極，從原材料氣體提供系統中延伸出來的一個原材料氣體引入裝置，與真空泵相連的排氣裝置，其中的片狀基底相繼通過每一個成膜真空腔和每一個氣門，基於每個成膜真空腔而在所述的片狀基底上形成一個包括非晶體矽材料或其他材料的功能性沉積膜，並且，在其上相繼形成多層功能性沉積膜的所述片狀基底由一個拉緊裝置拉緊而纏繞在其上。採用這種卷裝進出型成膜裝置的方法其光電元件(太陽能電池)的生產率高。
目前，在依靠等離子體CVD使非晶體矽沉積膜形成於置於沉積腔中的基底的情形中，在原材料氣體進入沉積室的沉積室區域附近，所產生的等離子體含有較大量的未分解的原材料氣體，並且因此而可能使在所述的沉積室區域附近的所述基底上形成的沉積膜變得膜厚度不均勻或具有較差的膜特性。而且，在沉積室被排空的沉積室區域附近，所產生的等離子體可能變得無序，結果導致形成於所述基底上的沉積膜會有所損壞。特別是在使用上述的利用卷裝進出型成膜裝置的情形中，在原材料氣體通過原材料引入裝置進入該成膜真空腔(放電空間)處的每個成膜真空腔區域附近，以及在成膜真空腔通過排氣裝置被排空的每個成膜真空腔區域附近，分別在片狀基底上形成的沉積膜也可能具有以上所述的那種缺陷，這種有缺陷的沉積膜導致形成一個n/i界面和i/p界面，這極大地影響所生產的光電元件(太陽能電池)的性能。
為了避免這種缺陷沉積膜形成於片狀基底，有一種公知的方法就是在每個成膜真空腔中設置一個如圖9所示的開口調節元件，以覆蓋成膜真空腔的前述區域，即這種缺陷沉積膜形成於片狀基底的區域。
但是，如前所述，在通過縮短能量施加電極與前述的基底之間的間距而試圖增加沉積膜形成於基底(或片狀基底)上的沉積速度的情形中，可能會使能量施加電極與開口調節元件之間的距離變得比能量施加電極與基底之間的距離(b)還小(參見圖9)。
在這種情況下容易產生不利影響，例如在能量施加電極與基底之間的距離很小的部分周圍，就容易在原材料氣體流中發生象停滯或堆積這樣的紊流，由此阻止薄膜的沉積或/和產生含有聚矽烷粉末的灰塵。
此外，由於該開口調節元件還充當接地電極，所以，在能量施加電極與開口調節元件之間的距離減小的情況下，能量施加電極與基底之間的距離最終的結果是相應地減小，由此，可能使得沉積膜在基底上的沉積速度局部增大。
基於已有技術中的前述缺陷，本發明的一個目的在於提供一種利用等離子體CVD的成膜裝置的改進，該裝置包括一個基本密封的真空腔，它的內部能被抽真空；一個用於將放電能引入所述真空腔的能量施加電極，把所述的能量施加電極設置成與置於所述真空腔內的基底相對；和一個用於調節位於所述真空腔中的所述基底的成膜面積的開口調節元件。這樣，甚至在為了增加在所述基底上形成的所述沉積膜的沉積速度而縮短所述的能量施加電極與所述基底之間的距離時，也可以穩定且連續地在所述基底上形成高品質的沉積膜。
本發明的另一個目的在於提供一種採用所述等離子體CVD成膜裝置的成膜方法。
本發明的再一目的是提供一種這樣的成膜裝置，它包括至少一個基本密封的真空腔，它的內部能被抽真空；一個用於將放電能引入所述真空腔的能量施加電極；一個原材料氣體引入部分，原材料氣體通過它引入到所述的真空腔內；和一個排氣部分，所述的真空腔通過它排空，所述的能量施加電極被設置成與位於所述真空腔內的基底相對，該真空腔中的放電能量通過所述的能量施加電極引入，以在所述的能量施加電極與所述基底之間的放電空間產生等離子體，來分解通過所述原材料氣體引入部分所引入的原材料氣體，從而，在所述基底上形成膜的沉積，其特徵在於至少所述的原材料氣體引入部分或所述的排氣部分設有一個用於阻擋所述等離子體的開口調節元件，而且，所述的開口調節元件與所述的能量施加電極之間有一段距離，該距離大於所述的能量施加電極與所述的基底之間的最短距離。
本發明的又一目的是提供一種採用前面所述的成膜裝置的成膜方法，其中從所述原材料氣體引入部分流向所述排氣部分的所述原材料氣體由在所述能量施加電極與所述基底之間的所述放電空間中產生的所述等離子體分解，從而在所述基底上形成膜的沉積。
圖1是本發明的一種成膜裝置實例的結構示意圖；圖2是本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底的一種位置排布實例的橫截面示意圖；圖3是本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底的另一種位置排布實例的橫截面示意圖；圖4是本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底的再一種位置排布實例的橫截面示意圖；圖5還是本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底的又一種位置排布實例的橫截面示意圖；圖6是在以下描述的對比例1中的基底上形成的沉積膜的厚度分布示意圖，其中所述的厚度分布由等厚線表示；圖7是在以下描述的實施例1中的基底上形成的沉積膜的厚度分布示意圖，其中所述的厚度分布由等厚線表示；圖8是以下將描述的實施例1-3中所獲得的沉積膜的沉積速度分布的曲線圖；圖9是在傳統的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底的一種位置排布實例的橫截面示意圖。
本發明將消除現有技術中所發現的上述缺點，並達到以上所述的目的。
正如前面所述，本發明包括一種改進的成膜裝置和一種採用所述的成膜裝置的成膜方法。
根據本發明，一種典型的成膜裝置的實施例包括至少一個內部能夠被抽空的基本密封的真空腔；一個用於把放電能量引入所述真空腔的能量施加電極；一個用來將原材料氣體引入所述真空腔的原材料氣體引入部分；和一個用來將所述真空腔抽空的排氣部分，所述的能量施加電極被設置成與位於所述真空腔內的基底相對，該真空腔中的放電能量通過所述的能量施加電極引入，以在所述的能量施加電極與所述基底之間的放電空間產生等離子體，來分解通過所述原材料氣體引入部分所引入的原材料氣體，從而，在所述基底上形成膜的沉積，其特徵在於至少所述的原材料氣體引入部分或所述的排氣部分設有一個用於阻擋所述等離子體的開口調節元件，而且，所述的開口調節元件與所述的能量施加電極之間有一段距離，該距離大於所述的能量施加電極與所述的基底之間的最短距離。
本發明提供一種採用前面所述的成膜裝置的成膜方法，其特徵在於從所述原材料氣體引入部分流向所述排氣部分的所述原材料氣體由所述能量施加電極與所述基底之間的所述放電空間中產生的所述等離子體分解，從而在所述基底上形成膜的沉積。
在本發明的成膜裝置中，優選把位於基底一側的能量施加電極的側部的面做成一個斜面形狀，使得所述能量施加電極的厚度向所述能量施加電極的所述側部的端部逐漸減小，所述的能量施加電極位於基底的背面(例如參見圖2中的標記201)。另外，位於所述能量施加電極一側的開口調節元件的表面優選被做成一個斜面形狀，使得所述開口調節元件的厚度向真空腔的開口部逐漸減小，所述的基底在此開口處曝露在該真空腔內部(放電空間)，其中，所述的開口調節元件的斜面形狀優選與前述的能量施加電極的斜面形狀相對(例如參見圖5中的標記501和503)。
在本發明中，甚至在為了增加所述沉積膜在所述基底上的沉積速度而縮短所述的能量施加電極和與該能量施加電極相對的所述基底之間的距離時，由於給開口調節元件與能量施加電極間提供了一個距離，而且，如上所述，該距離大於能量施加電極與基底之間的距離，所以，在原材料氣體流中不會發生象停滯或堆積這樣的紊流，而且，也不會產生含有聚矽烷粉末的灰塵，從而穩定且連續地在所述基底上形成高品質的沉積膜。
另外如上所述，在本發明中，優選把位於基底一側的能量施加電極的側部的面做成一個斜面形狀，使得所述能量施加電極的厚度向所述能量施加電極的所述側部的端部逐漸減小，所述的能量施加電極位於基底的背面。而且，位於所述能量施加電極側的開口調節元件的表面優選做成一個斜面形狀，使得所述開口調節元件的厚度向真空腔的開口部逐漸減小，所述的基底在此開口處曝露於接受該真空腔內部(放電空間)，其中，所述的開口調節元件的斜面形狀最好與前述的能量施加電極的斜面形狀相對。
通過採用以上所述的這種結構，能量施加電極與基底之間的距離就不大可能有很大的變化。據此，等離子體在真空腔的放電空間中總是以穩定的狀態產生而不會無序，分別在位於原材料氣體引入部分附近區域的基底和在位於排氣部分附近區域的基底上形成的沉積膜不會厚度不均。
順便提一下，如上所述，當基底作為一個電極時，能量施加電極作為它的反向電極。通過採用含有以下電源組中選出的放電能量，可以在真空腔(放電腔)產生直流等離子體、低頻等離子體、高頻等離子體或VHF等離子體，從而，引入到真空腔中的原材料氣體分解，在基底上產生作為半導體膜的功能性沉積膜的沉積，其中所述的電源組中包括通過能量施加電極提供的直流電源、振蕩頻率在5KHz至500KHz以下範圍的低頻電源、振蕩頻率在500KHz至30MHz以下範圍的高頻電源和振蕩頻率在30MHz至約500MHz範圍的VHF電源。
基底可以是由例如玻璃或其它類似的半透明絕緣材料製成的元件或由例如不鏽鋼或其它類似的非半透明導電材料製成的元件。另外，基底可以是含有柔性絕緣材料或由不鏽鋼或類似材料製成的柔性導電元件的拉伸片狀基底，其中所述的柔性絕緣材料例如在其上形成一層電導薄膜的聚合物膜或類似材料。
在本發明中，對於主要為增加在基底上形成沉積膜的沉積速度這一目的，則能量施加電極與基底之間的距離優選50mm或更小。對為產生具有高穩定性的等離子體且同時增加在基底上形成沉積膜的沉積速度這一目的，則能量施加電極與基底之間的距離優選大於5mm或更優選10mm到30mm的範圍是適宜的。
圖1是一個結構示意圖，表示一種作為本發明的成膜裝置實例的一種電容耦合型成膜裝置的主要部分。
對於圖1所示的成膜裝置中的開口調節元件(111)，採用在圖2-5所示的任何一種成膜裝置中的適當開口調節元件(203,303,403,503)。
圖1中，為了簡化的目的，僅示意出一個真空室(真空腔)。
圖1中，附圖標記102表示一種長方體形狀的真空室(真空腔)，它位於放在真空室102每一側的相鄰真空室之間，其中真空室102通過氣門103與每個相鄰的真空室連通，氣門103設置一個分離氣體引入管117。通過分離氣體引入管117引入含有例如H2氣或He氣的分離氣體，可以把真空室102中的大氣壓和內壓(氣壓)與位於與真空室102相鄰的每個鄰近的真空室中的相分開。
位於左側(如圖)的鄰近真空室可以是具有與真空室102相同結構的真空室或從中傳送基底的基底一裝載真空室。同樣，位於右側(如圖)的鄰近真空室可以是具有與真空室102相同結構的真空室或取走基底的基底一卸載真空室。
附圖標記105表示一種長方體形狀的放電腔，它置於真空室102中。附圖標記101表示一個從位於真空室102左側(如圖)的鄰近真空室(未示出)傳送來的片狀基底，該基底通過氣門103進入真空室102，在此，所述的片狀基底覆蓋放電腔105的頂部開口表面，然後，把所述的片狀基底101從真空室102中移出，經過真空室102右側的氣門103，進入位於真空室102右側(如圖)的鄰近真空室(未示出)。
給放電腔105設置一個氣體供給管107，用於將原材料氣體引入該放電腔。所述的氣體供給管107從原材料氣體供應系統(未示出)延伸出來。還為放電腔105設置了一個排氣管108，所述的排氣管通過一個節流閥(未示出)連接到真空管上(未示出)。所述的排氣管108有一個開口於放電腔105外的排氣部分110。
附圖標記106表示一個設置於放電腔105中的能量施加電極，使所述的能量施加電極106與片狀基底101的表面相對，該網狀電極的表面朝向放電腔105的內部空間，當所述的片狀基底101充當一個電極時，所述的能量施加電極106充當它的反向電極。
在此，能量施加電極106優選具有如圖2中附圖標記201、圖3中附圖標記301或圖4中附圖標記401所示的橫截面圖的形狀，詳細的描述將在以後對這些附圖的描述中進行。
在這個實施例中，能量施加電極106與高頻電源電連接。附圖標記109表示一個設置於放電腔105中的能量施加電極106後側的塊狀加熱器。
附圖標記113-1表示一種含有一個燈加熱元件的預加熱裝置，它如圖1所示位於真空室102中；附圖標記113-2表示一種含有一個燈加熱元件的常規加熱裝置，它如圖1所示也位於真空室102中；附圖標記115-1表示一個預加熱裝置113-1的反射器，附圖標記115-2表示一個常規加熱裝置113-2的反射器，附圖標記115表示預加熱裝置113-1和常規加熱裝置113-2整體的反射器；附圖標記114表示一個熱電偶。預加熱裝置113-1用於在片狀基底進入放電腔105之前臨時加熱片狀基底101，常規加熱裝置113-2用於真正加熱被臨時加熱過的片狀基底，以使它達到放電腔105中膜形成所需要的預定溫度。
附圖標記118表示一個沿著為片狀基底101提供的氣門103的通道而設置的磁輥。附圖標記116表示一個用於支撐該片狀基底101的支撐輥。附圖標記112表示真空室102的蓋。附圖標記111表示用於調節放電腔105開口的開口調節元件。附圖標記104表示能量施加電極106的基礎部件。
現在，把片狀基底101傳送到放電腔105中的同時，通過預加熱裝置113-1進行臨時加熱，在放電腔105中通過常規加熱裝置113-2進行真正的加熱，並且使之保持在預定的溫度，同時通過熱電偶114來調節該片狀基底的溫度，打開高頻電源(未示出)，通過能量施加電極106為放電腔105提供含有高頻能量的放電能，以使在放電腔中已有的原材料氣體中產生輝光放電，在該放電腔中產生等離子體使得原材料氣體分解，從而，在面向放電腔105內部空間(放電空間)設置的片狀基底101表面形成適宜的功能性沉積膜(一種適宜的半導體膜)。特別是，在這種情況下，從原材料氣體供應系統(未示出)提供的所述原材料氣體通過氣體供給管107引入放電腔105，原材料氣體通過塊狀加熱器109在此被加熱。同時，原材料氣體以與片狀基底101傳送方向平行的方向流動之後，在能量施加電極106上流過，然後，原材料氣體通過排氣管108排出放電腔105外，然後排出放電室102外，其中，通過分離氣體引入管117引入氣門103並流入放電腔105的的部分分離氣體以及引入放電腔105的部分原材料氣體通過設置在排氣管108的排氣口110排出。
以下，將參考附圖描述本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底之間的相互位置關係。
圖2是表示一種本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底之間的位置關係實例的橫截面示意圖；圖3是表示另一種本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底之間的位置關係實例的橫截面示意圖；圖4是表示又一種本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底之間的位置關係實例的橫截面示意圖；圖5表示再一種本發明的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底之間的位置關係實例的橫截面示意圖。
在圖2-5中，附圖標記101表示基底(相應於圖1中的片狀基底101)，附圖標記105表示放電腔(相應於圖1中的放電腔105)，附圖標記107表示氣體供給管(相應於圖1中的氣體供給管107)，附圖標記108表示排氣管(相應於圖1中的排氣管108)，附圖標記202表示電源。
圖2中，附圖標記201表示能量施加電極(相應於圖1中的能量施加電極106)，它與電源202電連接，附圖標記203表示開口調節元件(相應於圖1中的開口調節元件111)。如圖2所示，能量施加電極201具有這樣的形狀，它位於基底任何一側端部的基底側上的表面具有斜面形狀204(它形成一個斜面)，所述的斜面形狀是從基底側向下傾斜，使得能量施加電極的厚度從基底側向下逐漸減小。另外，如圖2所示，設置兩個開口調節元件203，一個設於放電腔105的基底裝載入口處，從而從上面覆蓋放電腔的原材料氣體引入部分，在此氣體供給管107打開以把原材料氣體引入放電腔，另一個設於放電腔105的基底裝載出口處，從而從上面覆蓋放電腔的排氣部分，在此排氣管108打開以排空放電腔內部。
圖2中，「a」和「c」的每個表示能量施加電極201與開口調節元件203之間的最短距離，「b」表示基底101和與基底101的表面相對的能量施加電極201的水平面之間的距離(平均距離)。
圖3中，附圖標記301表示能量施加電極(相應於圖1中的能量施加電極106)，它與電源202電連接，附圖標記303表示開口調節元件(相應於圖1中的開口調節元件111)。如圖3所示，能量施加電極301具有這樣的形狀，它位於基底任何一側端部的基底側上的表面具有階梯狀傾斜形狀304(它形成一個階梯狀斜面)，所述的階梯狀傾斜形狀是從基底側向下階梯式傾斜，使得能量施加電極的厚度從基底側向下階梯式減小。另外，如圖3所示，設置兩個開口調節元件303，一個設於放電腔105的基底裝載入口處，從而從上面覆蓋放電腔的原材料氣體引入部分，在此氣體供給管107打開以把原材料氣體引入放電腔，另一個設於放電腔105的基底裝載出口處，從而從上面覆蓋放電腔的排氣部分，在此排氣管108打開以排空放電腔內部。
圖3中，「a」和「c」的每個表示能量施加電極301與開口調節元件303之間的最短距離，「b」表示基底101和與基底101的表面相對的能量施加電極301的水平面之間的距離(平均距離)。
圖4中，附圖標記401表示能量施加電極(相應於圖1中的能量施加電極106)，它與電源202電連接，附圖標記403表示開口調節元件(相應於圖1中的開口調節元件111)。如圖4所示，能量施加電極401具有這樣的形狀，它位於基底任何一側端部的基底側上的表面具有彎曲傾斜形狀404(它形成一個彎曲斜面)，所述的彎曲傾斜形狀是從基底側向下彎曲式傾斜，使得它相對於開口調節元件的最短距離總是一個常數。另外，如圖4所示，設置兩個開口調節元件403，一個設於放電腔105的基底裝載入口處，從而從上面覆蓋放電腔的原材料氣體引入部分，在此氣體供給管107打開以把原材料氣體引入放電腔，另一個設於放電腔105的基底裝載出口處，從而從上面覆蓋放電腔的排氣部分，在此排氣管108打開以排空放電腔內部。
圖4中，「a」和「c」的每個表示能量施加電極401與開口調節元件403之間的最短距離，「b」表示基底101和與基底101的表面相對的能量施加電極401的水平面之間的距離(平均距離)。
本發明中的能量施加電極最好含有如圖2-4所示的任一種結構的能量施加電極。
只要能覆蓋真空腔(放電腔)的上述原材料氣體引入部分或上述的排氣部分，開口調節元件(203,303,403)可以做成一種適宜的形狀，例如開口調節元件可以是具有如圖5所示的斜面的形狀，其中所示的開口調節元件503具有一個與能量施加電極501(它與圖2中的能量施加電極201相同)的斜面504相對的斜面505。
圖5中，「a」和「c」的每個表示能量施加電極501與開口調節元件503之間的最短距離，「b」表示基底101和與基底101的表面相對的能量施加電極501的水平面之間的距離(平均距離)。
在圖2-5中所示的任何一種實施例中，能量施加電極(201,301,401,501)與開口調節元件(203,303,403,503)之間總保持一個恆定距離(a,c)[它們之間的最短距離(a,c)]，因此，在膜形成過程中原材料氣體流不會變得無序。而且，能量施加電極(201,301,401,501)與基底(101)之間總保持恆定距離(b)[它們之間的平均距離(b)]，因而，在放電腔(105)中產生穩定狀態的均勻等離子體，而不會變得無序。據此，可以在基底上形成高質量的沉積膜。
另外，圖9是一個橫截面示意圖，它表示在傳統的成膜裝置中能量施加電極、開口調節元件和基底的位置關係的一種實例。圖9中，附圖標記101表示基底(相應於圖1中的片狀基底101)，附圖標記105表示放電腔(相應於圖1中的放電腔102)，附圖標記107表示氣體供給管(相應於圖1中的氣體供給管107)，附圖標記108表示排氣管(相應於圖1中的排氣管108)，附圖標記901表示能量施加電極，它與電源202電連接，附圖標記903表示開口調節元件，能量施加電極901做成如圖9所示的沒有傾斜部分的板狀。
以下，將參照實施例對本發明作更為詳細的說明，應當知道，這些實施例僅用於舉例而不用於限定本發明的範圍。
在以下的每個實施例中，利用圖1所示的成膜裝置，採用以上所述的任一種位置排布，進行膜的形成。
實施例1在這個實施例中，在圖1所示的成膜裝置中採用圖2所示的位置排布。如圖2所示的位置排布，使得每個開口調節元件203與能量施加電極201之間的距離(a,c)變得大於能量施加電極201與基底101之間的距離(b)。能量施加電極201包括圖2所示結構的能量施加電極，它與基底相對的表面在原材料氣體引入部分一側(氣體供給管107側)具有一個斜面部分204，並在排氣部分(排氣管108側)具有斜面部分204。
前述的能量施加電極採用圖1所示的成膜裝置中的能量施加電極。根據採用圖1所示的成膜裝置的上述成膜工藝形成膜。特別是，含有SiH4氣和H2氣的混合氣體通過氣體供給管107流入放電腔105，具有13.56MHz頻率的高頻能通過能量施加電極201引入放電腔，產生等離子體，從而在片狀基底101上非晶體矽膜的形成持續5分鐘。在這個實施方式中，為了使在片狀基底上形成的所述非晶體矽膜具有高沉積速度，使能量施加電極201與基底101之間的距離(b)[參見圖2]為20mm。
在這個實施例中，對於如圖1所示的成膜裝置中的能量施加電極106，可以採用圖3所示形狀的能量施加電極，它與基底101相對的表面在原材料氣體引入側(氣體供給管107側)具有階梯狀斜面部分304，並在排氣部分側(排氣管108側)具有階梯狀斜面部分304。
對比例1對於圖1所示的成膜裝置中的能量施加電極106採用圖9所示形狀的能量施加電極901，它與基底101相對的表面在原材料氣體引入側(氣體供給管107側)和在排氣部分側(排氣管108側)不具有斜面部分，從而在所述的片狀基底101上形成非晶體矽膜，除此之外，重複實施例1的過程。
評價對於對比例1中所獲得的非晶體矽膜，用傳統的方式來檢測其厚度分布。圖6是一個表示所檢測到的該非晶體矽膜厚度分布的示意圖，其中的厚度分布用等厚線表示。
同樣，檢測實施例1中所獲得的非晶體矽膜的厚度分布。圖7是一個表示所檢測到的該非晶體矽膜厚度分布的示意圖，其中的厚度分布用等厚線表示。
如圖6所示，在對比例1中可以發現在位於原材料氣體引入部分附近區域的基底的表面部分和位於排氣部分附近區域的基底的表面部分上，沉積的不是膜，而是聚矽烷粉末601(灰塵)，而且，在所述基底的其它表面部分形成的膜產生嚴重的厚度不均勻分布。基於此種情況的這個理由，可以考慮到由於能量施加電極901與基底101之間的窄距離(b)[參見圖9]和能量施加電極901與開口調節元件903之間的距離變得太窄，其結果是使得原材料氣體流和所產生的等離子體變得無序，並產生聚矽烷粉末。
另一方面，如圖7所示，在實施例1中，可以發現在位於原材料氣體引入部分附近區域的基底的表面部分和位於排氣部分附近區域的基底的表面部分上，沉積的是令人滿意的膜，而不會沉積聚矽烷粉末，且在基底的其它表面部分形成的膜不會產生令人不滿意的不均勻的厚度分布。
實施例2在這個實施例中，在圖1所示的成膜裝置中採用圖4所示的位置排布。如圖4所示的位置排布，使得每個開口調節元件403與能量施加電極401之間的距離(a,c)變得基本上與能量施加電極401與基底101之間的距離(b)相等。能量施加電極401包括圖4所示形狀的能量施加電極，它與基底相對的表面在原材料氣體引入部分一側(氣體供給管107側)具有一個彎曲的斜面部分404，在排氣部分(排氣管108側)具有彎曲斜面部分404。
前述的能量施加電極採用圖1所示的成膜裝置中的能量施加電極106。根據採用圖1所示的成膜裝置的上述成膜工藝形成膜。特別是，含有SiH4氣和H2氣的混合氣體通過氣體供給管107流入放電腔105，具有13.56MHz頻率的高頻能通過能量施加電極401引入放電腔，產生等離子體，從而在片狀基底101上非晶體矽膜的形成持續5分鐘。在這個實施方式中，為了使在片狀基底上形成的所述非晶體矽膜具有高沉積速度，使能量施加電極401與基底101之間的距離(b)[參見圖4]為20mm。
評價1．在這個實施例中，不產生聚矽烷粉末，而且可以發現在該實施例中所得到的非晶體矽膜具有如圖7所示的厚度分布，它不具有令人不滿意的不均勻的厚度分布。
2．檢測實施例1中所得到的非晶體矽膜的沉積速度分布，也檢測實施例2(此實施例)中所得到的非晶體矽膜的沉積速度分布，檢測結果以曲線方式示於圖8中，其中同時示出了以下將要描述的實施例3所得到的非晶體矽膜的沉積速度分布。
對比實施例2和實施例1的沉積速度可以看出在位於原材料氣體引入部分附近區域和位於排氣部分附近區域，實施例2的沉積速度稍有增加，但不是被突然改變的。對於這種情況的原因，認為這是由每個開口調節元件403與能量施加電極401之間的距離(a,c)與能量施加電極401與基底101之間的距離(b)相等而引起的，減小了所產生等離子體的無序狀態。
實施例3在這個實施例中，在圖1所示的成膜裝置中採用圖5所示的位置排布。如圖5所示的位置排布，使得每個開口調節元件503與能量施加電極501之間的距離(a,c)基本上與能量施加電極501與基底101之間的距離(b)相等。能量施加電極501包括圖5所示形狀的能量施加電極，它與基底相對的表面在原材料氣體引入部分一側(氣體供給管107側)具有一個斜面部分504，在排氣部分(排氣管108側)具有斜面部分504，而且，每個開口調節元件503包括由一個具有圖5所示形狀的開口調節元件，它具有一個與所述的能量施加電極的斜面部分504相對的斜面505。
前述的能量施加電極501採用圖1所示的成膜裝置中的能量施加電極106，而且，在圖1所示的成膜裝置中的兩個開口調節元件的每一個都採用前述的開口調節元件503。
根據採用圖1所示的成膜裝置的上述成膜工藝形成膜。特別是，含有SiH4氣和H2氣的混合氣體通過氣體供給管107流入放電腔105，具有13.56MHz頻率的高頻能通過能量施加電極501引入放電腔，產生等離子體，從而在片狀基底101上非晶體矽膜的形成持續5分鐘。在這個實施方式中，為了使在片狀基底上形成的所述非晶體矽膜具有高沉積速度，使能量施加電極501與基底101之間的距離(b)[參見圖5]為20mm。
評價1．在這個實施例中，不產生聚矽烷粉末，而且可以發現在該實施例中所得到的非晶體矽膜具有如圖7所示的厚度分布，它不具有令人不滿意的不均勻的厚度分布。
2．檢測實施例3(此實施例)中所得到的非晶體矽膜的沉積速度分布，其檢測結果以曲線方式示於圖8中，其中同時示出了實施例1所得到的非晶體矽膜的沉積速度分布和實施例2所得到的非晶體矽膜的沉積速度分布。
對比實施例3和實施例1或2的沉積速度可以看出在位於原材料氣體引入部分附近區域和位於排氣部分附近區域，實施例3的沉積速度增大，但不是被突然改變的。對於這種情況的原因，認為這是由每個開口調節元件503與能量施加電極501之間的距離(a,c)與能量施加電極501與基底101之間的距離(b)相等而引起的，減小了所產生等離子體的無序狀態，也減少了原材料氣體流的無序狀態。
如上所述，本發明在於一種成膜裝置的改進，它包括一個基本上密封的真空腔，其內部能夠被抽真空；一個能量施加電極，用於將放電能引入所述的真空腔；一個原材料氣體引入部分，通過它可以把原材料氣體引入所述的真空腔；一個排氣部分，通過它將所述的真空腔排空；和一個開口調節元件，用於阻擋所述的原材料氣體引入部分或所述排氣部分，所述的能量施加電極放在位於所述真空腔中的基底的相對位置，其中，通過所述的能量施加電極引入放電能，在所述的能量施加電極與所述基底之間的放電空間產生等離子體，來分解通過原材料氣體引入部分引入的原材料氣體，從而在所述的基底上形成膜的沉積，其中位於所述開口調節元件附近的所述能量施加電極的一側端部被做成斜面或階梯狀或其它形狀，並把所述開口調節元件做成具有斜面或類似形狀的表面，該面與所述能量施加電極的所述側端部相對，從而使所述能量施加電極與所述開口調節元件之間的最短距離(a,c)基本相等或大於所述能量施加電極與所述基底之間的距離(b)。通過這種結構，即使為了增加在基底上形成沉積膜的沉積速度而使所述的能量施加電極與所述基底之間的距離變窄時，真空腔中的原材料氣體流也不會變得無序，而且，真空腔中所產生的等離子體也不會無序。特別是，在能量施加電極與開口調節元件之間的最短距離(a,c)基本上與能量施加電極與基底之間的距離(b)相等的結構中(參見實施例2)，儘管能量施加電極的形狀有些複雜，但是真空腔中所產生的等離子體的無序狀態被大為減小，結果是可以在更大的面積上獲得均勻的沉積速度分布。並且，採用如下的結構，即在位於開口調節元件附近的能量施加電極的一側端部具有一種斜面，開口調節元件具有與所述能量施加電極的傾斜側端部相對的一種傾斜狀表面，而且，能量施加電極與開口調節元件之間的最短距離(a,c)與能量施加電極與基底之間的距離(b)基本上相等(參見實施例3)，不僅極大地減小真空腔中所產生的等離子體的無序狀態，而且得到平穩的原材料氣體氣流而不出現無序狀態，其結果是可以在更大的區域獲得更為均勻的沉積速度分布。據此，可以在適宜的基底上穩定而連續地形成作為半導體膜的高質量功能性膜。這使得以一個合理的生產成本大量生產例如太陽能電池的薄膜半導體器件成為可能。
另外，在以上所述的每個實施例中，採用的是卷裝進出型成膜裝置的情況進行描述的，但是，本發明的結構也可以用於批量型成膜裝置中。
權利要求
1.一種成膜裝置，包括一個基本上密封的真空腔，其內部能夠被抽真空；一個具有適宜厚度的能量施加電極，用於將放電能引入所述的真空腔；一個原材料氣體引入部分，通過它可以把原材料氣體引入所述的真空腔；和一個排氣部分，通過它將所述的真空腔排空；所述的能量施加電極被設置成與所述真空腔中的基底相對；其中通過所述的能量施加電極引入放電能，在所述的能量施加電極與所述基底之間的放電空間產生等離子體，以分解通過原材料氣體引入部分引入的原材料氣體，從而在所述的基底上形成膜的沉積，其特徵在於至少所述的原材料氣體引入部分或所述的排氣部分設有一個厚度適宜的用於阻擋所述等離子體的開口調節元件，而且使所述的能量施加電極與所述的開口調節元件放置的位置滿足a或c≥b的等式，其中，a是所述能量施加電極與在所述原材料氣體引入部分處設置的所述開口調節元件之間的最短距離，c是所述能量施加電極與在所述排氣部分處設置的所述開口調節元件之間的最短距離，b是所述基底和與所述基底表面相對的所述能量施加電極的水平面之間的平均距離。
2.如權利要求1所述的成膜裝置，其中位於所述基底側的所述能量施加電極的一個側端部分的面具有一個傾斜的形狀，使得所述的能量施加電極的厚度向所述能量施加電極的所述側部的下端部減小。
3.如權利要求2所述的成膜裝置，其中位於所述能量施加電極側的所述開口調節元件的一個表面具有一個傾斜的形狀，使得所述的開口調節元件的厚度向所述真空腔的開口部逐漸減小，所述的基底在所述真空腔的開口部曝露於所述真空腔內部。
4.一種成膜方法，它採用的成膜裝置包括一個基本上密封的真空腔，其內部能夠被抽真空；一個具有適宜厚度的能量施加電極，用於將放電能引入所述的真空腔；一個原材料氣體引入部分，通過它可以把原材料氣體引入所述的真空腔；和一個排氣部分，通過它將所述的真空腔排空，其中一個基底位於所述的真空腔中，通過所述的能量施加電極引入放電能，在所述的能量施加電極與所述基底之間的放電空間產生等離子體，以分解通過原材料氣體引入部分引入的原材料氣體，從而在所述的基底上形成膜的沉積，其特徵在於至少所述的原材料氣體引入部分或所述的排氣部分設有一個厚度適宜的用於阻擋所述等離子體的開口調節元件，而且使所述的能量施加電極與所述的開口調節元件放置的位置滿足a或c≥b的等式，其中，a是所述能量施加電極與在所述原材料氣體引入部分處設置的所述開口調節元件之間的最短距離，c是所述能量施加電極與在所述排氣部分處設置的所述開口調節元件之間的最短距離，b是所述基底和與所述基底表面相對的所述能量施加電極的水平面之間的平均距離。
5.如權利要求4所述的成膜方法，其中位於所述基底側的所述能量施加電極的一個側端部分的面具有一個傾斜的形狀，使得所述的能量施加電極的厚度向所述能量施加電極的所述側部的下端部減小。
6.如權利要求5所述的成膜方法，其中位於所述能量施加電極側的所述開口調節元件的一個表面具有一個傾斜的形狀，使得所述的開口調節元件的厚度向所述真空腔的開口部逐漸減小，所述的基底在所述真空腔的開口部曝露於所述真空腔內部。
全文摘要
一種成膜裝置,包括一個真空腔,一個能量施加電極,一個通過它可以把原材料氣體引入所述真空腔的原材料氣體引入部分,和一個通過它將所述的真空腔排空的排氣部分,所述的能量施加電極被設置成與所述真空腔中的用於成膜的基底相對,其特徵在於至少所述的原材料氣體引入部分或所述的排氣部分設有一個厚度適宜的用於阻擋所述等離子體的開口調節元件,而且使所述的能量施加電極與所述的開口調節元件放置的位置滿足a或c≥b的等式,其中,a是所述能量施加電極與在所述原材料氣體引入部分處設置的所述開口調節元件之間的最短距離,c是所述能量施加電極與在所述排氣部分處設置的所述開口調節元件之間的最短距離,b是所述基底和與所述基底表面相對的所述能量施加電極的水平面之間的平均距離。一種採用所述成膜裝置的成膜方法。
文檔編號C23C16/54GK1315587SQ01111320
公開日2001年10月3日 申請日期2001年1月31日 優先權日2000年1月31日
發明者矢島孝博, 金井正博, 幸田勇藏, 宍戶健志 申請人:佳能株式會社