在放置於射頻等離子體之外的襯底上形成薄膜的技術的製作方法

2023-05-23 07:00:06

專利名稱：在放置於射頻等離子體之外的襯底上形成薄膜的技術的製作方法
技術領域：
本發明是描述一種具有大面積、高速率沉積矽薄膜的真空鍍膜的裝置和方法。特別是涉 及到一種將基板放置於等離子體之外的依靠等離子體蝕刻效應而形成薄膜的技術。
背景技術：
太陽能是目前急需的一種能量來源，屬高科技領域範圍內。高性能大面積的基於薄膜矽 的電子或光電產品，通常是使用標準的採用兩個平行電極的射頻等離子體增強化學氣相沉積 法而製成。在這種方式中被用來鍍膜的基板通常是被放在接地的正電極上，從而使得基板鍍 膜的表面直接暴露於等離子體下，所以在高速率沉積時需要高功率的等離子體激發狀態下所 鍍的矽薄膜由於高能量離子的不斷轟擊而出現質量下降的問題。同時在大面積鍍膜時傳統 RF-PECVD需要源源不斷向反應室中提供含有矽的原氣體，而在大型反應室中原氣體的分布很 難達到理想的均勻度，使得在高速鍍膜時，膜的厚度和其他性能的非均勻性變得十分明顯。 現在工業上所使用的大型PECVD設備，雖然可以解決上述問題，但這類設備的高度複雜性和 昂貴的成本使得它們不適用於生產低成本的薄膜材料和器件。發明內容基於上述考慮，申請人擬訂了本發明的首要目的本發明提供了一種在高速率沉積狀態 下具有良好的在大面積上的均勻性的矽薄膜沉積設備和方法。本發明進一步目的是，利用向基板上施加電勢的方法，有效的控制高速率沉積的矽薄膜 的性能。為了達到上述發明目的，本發明採用一個由三個平行電極構成的對通常的RF-PECVD系統 加以改變的鍍膜系統，這三個平行的平板狀電極分別為用來激發等離子體的負電極，與負電 極相對的網狀或有很多孔洞的接地正電極，及放置於正電極後面的載有基板的第三電極。在 正電極和負電極相對的表面上預先鍍有矽材料，其均勻性及其他性能無關緊要。在鍍膜過程 中具有蝕刻性的氣體混合物被引入反應室內，在界於正負電極之間的等離子體作用下，正負 電極表面的矽材料被蝕刻而分離成為氣態基子，並以擴散的方式穿過網狀正電極，達到第三 電極表面最終導致矽薄膜在基板上的形成。其原因是蝕刻氣體被激發後的平均擴散程度遠遠 小於氣態矽基子，所以在基板表面的蝕刻強度相比於等離子體區域要微弱得多。值得強調的 是本發明所使用的薄膜矽沉積方法完全不需要在鍍膜時提供含有矽的氣體材料，而矽的來源可以完全由己鍍在正負電極上的矽層來提供，這與通常的CVD鍍膜方式(包括PECVD)具有 極大的區別。在這個系統中產生鍍膜前期材料的等離子區域與薄膜生長區域相分離，從而使 生長的薄膜不直接受到等離子體過程的影響。並且依據本發明的設計，等離子體輝光放電的 強度可以大大的提高，從而達到提高鍍膜速率的目的，因為所使用的基板被放置於輝光放電 區域之外，從而避免鍍膜表面被高能量離子不斷衝擊而造成的損壞。


下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。圖1顯示利用蝕刻方法鍍膜的三級射頻輝光放電系統。圖2顯示第三級電勢可變化的利用蝕刻方法鍍膜的三級射頻輝光放電系統。
具體實施方式
參照圖1，本發明提供的鍍膜裝置，由放置於真空箱內的三個平行電極板構成，三個電 極板分別是負電極88 (射頻電極)，正電極77，和第三電極也就是基板電極3。其中正電極 是由網狀或帶有許多孔的金屬板構成，這些孔76完全穿透電極板77，且具有足夠高的密度， 使得界於負電極88和正電極77之間的氣狀物質可以比較自如的穿過正電極而達到第三電極 3的表面。在鍍膜之前負正電極和負電極相對的表面都已經鍍有矽材料9,這種矽材料的厚度、 均勻性和其他性質都無關緊要，唯一的要求是該矽材料的純度要達到所需的要求。在鍍膜過程中具有蝕刻性能的氣體被引入真空室內，這類氣體包括氫氣，第七類元素的氣體(氟和氯 等等，或它們的混合物)。室內的氣壓維持在大氣壓的1/2000到2/100之間，這時在負電極 上施加一個射頻電能89，使得正負電極之間31產生並維持等離子體狀態，也就是射頻輝光 放電。負電極上的矽層9和正電極上的矽材料99被等離子體蝕刻而形成氣狀的矽基子，與兩 個平行電極的射頻輝光放電過程不同的是，這些矽基子可以穿過正電極上的孔洞76而達到並 沉積在第三電極的表面，從而形成矽薄膜8。由於基板被放置於等離子體區域之外，所以等 離子體的強度可以被極大的提高，而不會使薄膜沉積表面受到高能量離子的轟擊，而影響沉 積於基板上的矽薄膜的性能。也就是說在極強的等離子體激發下正負電極上的矽材料可以被 很快的蝕刻、剝離，從而提供高密度的薄膜前期物質，而大大提高鍍膜的速率。第三電極可 以接地也可以具有懸浮電勢，也就是說完全絕緣的材料同導電材料一樣可以被用做基板。雖 然所提供的氣體不含有帶矽的物質，但是在正負極上的矽材料被具有腐蝕性的等離子體不斷 剝落，而被源源提供到基板附近，達到鍍膜的效果。只要正負電極之間的等離子體電場足夠 均勻，則被蝕刻而產生的矽基子的濃度也會足夠均勻，從而達到即使在高速率下也可以在大 面積上得到均勻的矽薄膜的效果。而這種均勻性完全不依賴於像鍍膜真空室中提供氣體的分布均勻性，而在傳統的鍍膜系統中矽薄膜的均勻性在很大程度上取決於含有矽物質的原氣體 的分布狀態。圖2顯示了本發明的另一種實施方法，其工作原理與圖1的系統相似，其區別是在孔狀 正電極77和裝有基板的第三電極3之間加上了一個可調的直流電壓83 (偏壓)。在鍍膜過 程中，射頻電力89被施加於負電極88之上，從而導致負電極與接地正電極之間的區域31形 成等離子體，並使得蝕刻氣體將鍍在負電極上的矽材料9和鍍在正電極上的矽材料99被蝕刻、 剝離而形成氣態基子，其後這些矽基子穿過正電極上的孔洞76，擴散向第三電極並沉積在第 三電極也就是基板之上，形成矽薄膜8。該薄膜的性質及生長速率可以通過對施加在基板上 的可調電勢83的調節而使其發生改變。由於第三電極也就是基板的電勢必須可以由外界施加 的電壓而得到控制，所以在這種實施過程中所選用的基板必須具有足夠的導電性，或至少其 表面具有與可調電勢83直接相連的導電膜。本發明提出的使用三個電極的蝕刻所導致的矽薄膜沉積的設備和技術手段，獨創性強， 簡單易行，對於大規模提高基於矽薄膜的光電器件的生產效率具有十分重大的意義。
權利要求
1. 一個依賴於等離子體蝕刻效應的薄膜沉積裝置，其特徵在於是三個電極構成的射頻等離子體增強化學氣相沉積(RF-PECVD)鍍膜系統，其所述電極分別為表面上鍍有矽材料的負電極，表面上鍍有矽材料的網狀或有高密度窟窿的正電極，及放置於所述正電極後面的載有基板的第三電極。所述的正電極具有足夠的穿透性，從而使得產生於所述正電極和所述負電極之間的矽類鍍膜前期物質可以達到第三電極的表面。該系統在向基板鍍膜時不需要外界提供含矽的原材料。
2、 根據權利要求1所述的依賴於等離子體蝕刻效應的薄膜沉積裝置而進行矽薄膜沉積的方法，其特徵由下列步驟顯示a) 在所述的正電極和所述的負電極表面鍍上矽材料，包括非晶矽，微晶矽，和它們 的合金；b) 在所述的第三電極面向所述網狀正電極的一面放置被用來鍍膜的基板；c) 在PECVD反應室注入被等離子體激發後對矽具有蝕刻性的氣體混合物，包括氫 氣、含氟或含氯的氣體，或上述氣體的混合物；d) 向負電極上施加射頻電力(RF電力)，使得所述負電極和所述正電極之間產生 並維持等離子體狀態，並將指電極上的矽材料蝕刻、剝離，這些活性的含矽的基 子與擴散的方式穿過透射性的正電極，達到並沉積在置於所述第三電極上的基板 表面；e) 所述的沉積於基板上的矽薄膜的性質，可以通過施加於所述的正電極和所述的第 三電極之間的直流電壓而改變。
3、 根據權利要求2所述的一個依賴於等離子體蝕刻效應的薄膜沉積方法，其特徵在於使用的所述基板為鍍有透明導電膜的玻璃片。
全文摘要
本發明公開了一種完全新穎的薄膜沉積的方法，特別是一個方法採用具有三個平行電極的RF-PECVD系統的鍍膜方法。此方法將基板放置於通常盛有基板的等離子體區域之外。在兩個平行的用於產生等離子體的電極板上事先鍍有矽材料，該材料在具有蝕刻性的等離子體激發下從電極上被剝離掉，並以擴散的方式透過網狀的正電極而達到並沉積在置於正電極後面的基板上。這種鍍膜方式的優點包括它不依賴於外界提供的矽原材料，從而達到良好的大面積鍍膜的均勻性，而且即使在使用大功率，從而得到很高的增長速率時，薄膜的性能也不會受到具有很強轟擊性的等離子體的影響。
文檔編號C23C16/52GK101235488SQ20071000257
公開日2008年8月6日 申請日期2007年1月29日 優先權日2007年1月29日
發明者李沅民, 昕 馬 申請人:北京行者多媒體科技有限公司