輝光放電分解裝置的製作方法
2023-04-24 11:06:01 1
專利名稱:輝光放電分解裝置的製作方法
本發明涉及到一種輝光放電分解裝置，和用在這種輝光放電分解裝置中的一種半導體薄膜的製備。
在一種傳統的輝光放電分解裝置中，在標號3表示的接地電極上，水平地設置一塊基片4，其中，射頻(RF)電極1，加熱器5，以及其他部件都以圖1所示的方式設置。標號10表示一個進氣孔，氣體從中進入腔內。標號11表示一個抽氣孔，通過這個抽氣孔，可用抽氣機將氣體抽出。在這樣的裝置中，可以把一種半導體薄膜大面積地澱積到一塊基片上，但是，在射頻電極的背面，會產生附加放電。為了避免這種在背面的放電，必須象圖1所示的那樣，設置一個遮屏7，但是這樣的遮屏會導致不穩定性的輝光放電。
圖2所示的裝置是用來進行雙面澱積的，它不需要遮屏。在這種裝置中，在接地電極31和32上，垂直地設置了基片41和42，由標號1所表示的射頻電極處在這些接地電極的中間。在射頻電極(以下亦稱之為RF電極)1的兩側都發生輝光放電。如果需要的話，可用加熱器51和52對基片41和42進行加熱。在這樣的裝置中，儘管設置了兩塊基片，也只能設置一個RF電極1，一個射頻電源(以下亦稱之為RF電源)9和一個匹配電路8。然而，這種裝置表現出了一定的缺陷。其中，當要求兩側具有彼此相差較大的澱積速率時，無法對基片上的澱積速率進行獨立的控制。
為了對加在各個RF電極上的功率進行控制，可以設計出如圖3所示的裝置，在這種裝置中，在腔的中部設置了兩塊基片，兩個RF電極11和12分別對著它們，並設置了兩個獨立的RF電源91和92，以及匹配電路81和82。通過對每個電輸出功率進行調節，實現了對放電的分別控制，從而實現了對澱積速率的控制。然而，在向各個電極提供射頻能量的RF電源之間，可能會出現幹擾。此外，由於需要兩個RF電源和兩個匹配電路，因此，上面所公開的裝置是很複雜的，因而需要過高的費用，並且受到了某些限制。
本發明的一個目的，就是要提供一種輝光放電分解裝置，這種輝光放電分解裝置帶有一個RF電源和一個匹配電路，通過對加在各個電極上的射頻功率進行分別控制，這種輝光放電分解裝置在各個基片上可以給出不同或是相同的澱積速率。
上述問題的解決，是通過提供一種輝光放電分解裝置，這種輝光放電分解裝置包括RF電源、匹配電路和包含至少一個電元件的控制電路。對匹配電路進行適當的連接，以使之從RF電源接收射頻能量;對控制電路進行適當連接，以使之從匹配電路接收射頻能量。對該控制電路的輸出端進行適當連接，以向RF電極供應射頻能量。
通過控制各個RF電極上的等離子體，可以在這種輝光放電分解裝置中，在各個基片上，以不同或相同的速率，進行薄膜澱積。這種控制是通過調節控制電路來進行的。該控制電路向各個RF電極提供射頻能量。
採用本發明的輝光放電分解裝置，可以藉助一個RF電源，一個匹配電路和一個控制電路，在各個基片上以不同或相同的速率，進行薄膜澱積。
圖1是水平設置的輝光放電分解裝置的示意圖，這種輝光放電分解裝置是用於單面澱積的;
圖2是傳統的雙基片型輝光放電分解裝置的示意圖，該裝置用於進行雙面澱積;
圖3是包括兩個獨立射頻系統的輝光放電分解裝置的示意圖;
圖4是本發明的輝光放電分解裝置的一種實施例的示意圖;
圖5、6、7和8分別是控制電路的示意圖;
圖9是射頻導電盤的電元件的示意圖;
圖10是匹配電路的示意圖;
圖11和12是包含多套RF電極、基片、和加熱器的裝置設置的說明圖。
現在結合圖4來說明本發明的裝置。在圖4中，標號11和12所表示的RF電極是並聯設置的，並藉助絕緣器2而彼此絕緣。包含可變電容61和固定電容62的控制電路在反應腔外同RF電極11和12相連。RF電源9產生出射頻能量，該射頻能量通過匹配電路8被分成兩部分，從而將分解後的射頻能量分別加到RF電極11和12上。在RF電極11和12上方，與這些RF電極平行地設置了接地電極31和32。基片41和42分別設置在接地電極31和32上。由標號51和52表示的加熱器可以被用來對基片41和42進行加熱。就RF電極11和12來說，絕緣器2可以用其他部件所代替，只要該部件能夠固定這些電極之彼此絕緣。
在圖4所示的實施例當中，通過調節分別與RF電極相連的電容，對澱積速率進行了分別控制。
作為例子，調節電容的方法可以是，在試驗澱積之後檢查薄膜厚度的方法，用目測來檢測輝光放電強度的方法，用光發射頻譜學(Optical Emission Spectroscopy，簡稱OES)檢測輝光放電強度的方法等等。在最後一種情況下，調節是通過手動操作或者自動操作來進行的。自動控制操作是藉助同檢測器和伺服電機結合在一起的自動機械裝置來進行的。在這些方法中，採取自動機械裝置進行調節是最可取的方法。
控制電路包括電元件，如圖4中的串聯電容，同RF電極串聯，或是並聯接地的一對電容或電感。圖5、6、7和8是這些電路連接的說明圖。還可以設計出其他的電元件組合。例如，只有一個元件連接到一個RF電極上，而另一個RF電極則直接接到匹配電路的支路上。
總之，能夠對包含電元件的控制電路進行調節，以控制來自匹配電路的射頻功率，並將這些射頻能量加到RF電極上。
作為例子，本發明中的電感器可以是螺線圈，或是射頻導電盤，該射頻導電盤具有與其所取形狀相對應的電感。圖9顯示的是後一種情況，其中電感器是一對射頻導電銅盤。依照盤的形狀和長度，其電感值可以在一定範圍內變化。
當對電容或電感進行調節，以使等離子體強度發生變化或相等時，整個電路的電參量也發生變化。因此，必須在所使用的射頻功率條件下，對匹配電路再次進行調節，在大多數情況下，匹配電路包含有可變電容。圖10顯示了一種典型匹配電路的說明圖。
儘管在本公開中所作的說明，還可以對「匹配電路」進行這樣的定義，從而使之既包含上述的匹配電路，又包含上述的控制電路。
對受到絕緣器2絕緣的RF電極11和12之間的距離，進行適當選擇，以使之達到最優化。例如，在通常的情況下，可以將其選定在1至200毫米(mm)之間。從等離子體的穩定性和均勻性的角度改慮，RF電極同基片之間的距離可取為5至50毫米(mm)，最好是在10至30毫米(mm)之間。
RF電極的面積最好不大於1平方米(m2)。當需要更大面積時，可以採用多個RF電極，這些電極的每一個的面積都限制在1平方米(m2)之內。在圖11中，顯示出了這種RF電極裝置。利用這樣的裝置可以進行大面積的澱積，其中的各個RF電極在電路上都是串聯的。如同前面描述中所指出的，在以圖1至12所顯示的方式安置的平行盤式電極中，每個RF電極的面積都限制在1平方米(m2)之內。
這個裝置可以包含基片運載裝置，該基片運載裝置用來在澱積之前之後或進行之中，進行基片的運送，基片可以在某種程度上或向左和右進行運送，並同RF電極保持一定距離。在這種移動過程中，基片自然應當平行地朝向RF電極。另外，基片可以沿著一個方向進行運動，並同RF電極保持一定距離，這種實施例的一個例子，就是一種多腔澱積裝置，其中將一個腔中的基片運送到另一腔中。當要要在一段很長的連續基片(該長連續基片正從一個腔移入另一個腔)上連續地澱積薄膜時，這種沿一個方向的運送是最可取的。
為了得到均勻的薄膜的厚度，最好的辦法是將基片左右移動，就象上面所描述的那樣。RF電極和基片可以垂直、水平或傾斜地設置，只要它們彼此處在平行狀態。然而，採用垂直設置可以澱積出質地優良的薄膜，因為垂直設置能夠防止灰塵落到基片上。
如果需要的話，可以用加熱器對基片進行加熱。基片溫度的選擇，是根據薄膜的成份，或是澱積出的薄膜的使用目的來進行的。在通常的條件下，其溫度最好取在50°至400°之間。
如上所述，本發明中的裝置由RF電極、基片和加熱器組成。在這樣的裝置中，RF電極，基片和加熱器構成了澱積的基本裝置。本發明的裝置可具有多套這種基本裝置，如圖12所示，這些基本裝置的套數可以是1至100，在本發明中，最好是1至10。
在利用輝光放電等離子體進行薄膜澱積的裝置中，可以採用任何型式的裝置，然而，當採用多腔裝置時，在每個腔中都可以採用本發明的工藝來製備薄膜，其中連續地澱積出半導體的P、i和n型層。在這個實施例中，多腔裝置在將各腔分開的隔牆上，帶有狹縫或閘閥，以便把基片送入相鄰的腔中。可以用差動抽氣機(differential evacuator)來抽掉腔中的氣體。這種差動抽氣機可以在基片從一個腔轉向下一個腔的過程中，連續地抽出氣體。如果在這種多腔裝置中設置了差動抽氣機，就可以在不用打開或關閉閘閥的情況下，將基片連續地從一個腔移到另一腔。多腔裝置的這種功能，使可製造性得到了增加。
採用本發明的裝置來製備非晶半導體薄膜的方法如下在包含有0.01至5(Torr)的惰性氣體、摻雜氣體、矽化物、碳酸鹽和氮化物的氣體環境中，以1至100兆赫(MHz)的射頻頻率，在澱積區域的射頻功率密度為0.003至0.2瓦/釐米2(W/cm2)(當需要微晶薄膜時，功率為0.1至5W/cm2)的條件下，進行輝光放電，並在基片上澱積出0.005至100微米(μm)的薄膜。
採用本發明的這種工藝，可以在大面積的基片上進行一致而均勻的澱積。另外，由於該裝置中輝光放電等離子體的穩定性，因而避免了附加放電，從而使射頻能量得到了有效的利用。
在本發明的設置中，對射頻能量的利用得到了充分的改進。根據本發明的設置。可以製作出多種電元件的薄膜，這些電元件諸如具有異質結或同質結的太陽能電池、P-i-n二極體、P-n二極體、傳感器、薄膜電晶體(TFT)、和電荷耦合器件(CCD)。還可以作出用於電子照像術的敏化膜，LSI鈍化膜、用於印刷電路的隔離膜，或其他產品。特別地，由於本裝置中等離子體的穩定性，因而採用本發明的工藝，可以在大面積上製備出具有高效率的非晶矽太陽能電池，這種非晶矽太陽能電池的效率大於10%。
下面，對依照本發明的例子進行描述。
應當理解的是，本發明並不受例子的限制，並且在不脫離本發明的範圍和精神的前提下，可以對本發明進行變形和修正。
例1利用圖4所示的輝光放電分解裝置來製備薄膜。
利用4毫米(mm)厚的絕緣器，對RF電極(500mm×560mm)進行絕緣。通過匹配電路，將射頻能量加到電容器上。射頻頻率為13.56兆赫(MHz)，固定電容器的電容為520PF，而可變電容器的電容為500PF(最大值)。在40平方釐米(cm2)的透明ITO/SnO2-玻璃基片上製備出了一個P-i-n半導體薄膜。該基片的溫度為200℃。
首先，在包含有0.05%克分子濃度的B2H6的CH4(50%克分子濃度)和SiH4(50%克分子濃度)的混合氣體下，澱積出100埃(
)的P型層。隨後，澱積出6000埃(
)的i型層，最後，在包含0.2%克分子濃度的PH3的混合氣體下，澱積出500埃(
)的n型層。固定和可變電容器的電容分別為250和350PF。
在其上面，利用電子束髮射澱積出一層厚度為1000埃(
)的鋁，作為背電極(baching electrocle)。利用100mW/cm2的太陽模擬器，對用上述方法製作的太陽能電池的轉換效率分別地進行測量。其轉換效率平均為11%，最高為11.7%，最低為10.4%。澱積速率為每秒10埃(
)。在兩塊基片上所得到的薄膜的厚度是一樣的。
例2製備薄膜的方法與例1相同，但可變電容器的電容從10至500PF變化。在表1中顯示了製備在兩塊基片上的所得到的薄膜的澱積速率。
權利要求
1.輝光放電分解裝置，該輝光放電分解裝置利用輝光放電分解來在基片上澱積薄膜，其改進包括接地電極，基片、RF電極、射頻電源、至少包括一個電元件的控制電路和匹配電路；每個所述基片都被設置在所述接地電極上，該接地電極彼此平行地設置在各個RF電極上所述RF電極是平行設置的，並且互相電絕緣；對所述匹配電路進行了適當連接，以使之從射頻電源接受射頻能量；對所述控制電路進行了適當連接，以使之從匹配電路接受射頻能量；對控制電路的輸出端進行了適當的連接，以便向RF電極提供射頻能量。
2.權利要求
1的裝置，其中控制電路包含固定電容和可變電容。
3.權利要求
1的裝置，其中控制電路包含固定電感和可變電感。
4.權利要求
1的裝置，其中提供了1至100套基本裝置，每個所述基本裝置都包含RF電極和接地電極。
5.權利要求
1的裝置，其中利用一種基片運送裝置來運送基片，這種基片運送裝置對基片進行運送並使基片同RF電極保持一定距離。
6.權利要求
1的裝置，其中射頻能量的頻率為1至100兆赫(MHZ)。
7.權利要求
1的裝置，其中設置了用於加熱基片的加熱器。
8.權利要求
2的裝置，其中電容器同RF電極串聯連接。
9.權利要求
2的裝置，其中電容器並聯接地。
10.權利要求
3的裝置，其中電感器同RF電極串聯連接。
11.權利要求
3的裝置，其中電感器並聯接地。
12.權利要求
5的裝置，其中基片進行左右移動並同RF電極保持一定距離。
13.權利要求
5的裝置，其中基片向一個方向移動並同RF電極保持一定距離。
14.在一種包含接地電極、基片RF電極、一個RF電源、一個匹配電路和一個控制電路的裝置中，利用輝光放電分解來在基片上澱積薄膜的方法，其改進包括藉助控制電路來對射頻功率進行獨立的控制，並通過提供這種受到獨立控制的射頻功率來在基片上製作薄膜，從而使等離子體在各個RF電極上都受到了控制。
15.權利要求
14的方法，其中對射頻功率進行控制，以便在每塊基片上都製作出均勻的薄膜。
專利摘要
帶有接地電極、基片、RF電極、射頻電源、帶有至少一個電元件的控制電路和匹配電路的輝光放電分解裝置。基片都並行裝在設置在各個RF電極上的接地電極上，各RF電極並行設置並彼此絕緣；匹配電路從射頻電源接收射頻能量；控制電路從匹配電路接收射頻能量，並向RF電極提供射頻能量；通過提供受到控制電路獨立控制的射頻功率，在基片上製作出薄膜，從而使等離子體在各電極上都受到控制。
文檔編號C23C14/54GK85104968SQ85104968
公開日1987年1月7日 申請日期1985年6月29日
發明者太和田喜久, 中山威久, 田井雅彥, 生地望 申請人:鍾淵化學工業株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan