專利名稱：一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)了一種硅薄膜沉積方法，特指系一種等離子增強(qiáng)的感 應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法，屬于半導(dǎo)體薄膜與器件、光電子學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜在平板顯示、太陽(yáng)能電池、薄膜傳
感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在國(guó)際市場(chǎng)硅原材料持續(xù)緊張的背
景下，非晶硅、微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池因其成本低廉，對(duì)太陽(yáng)光適應(yīng)
范圍廣泛，非最佳角度陽(yáng)光下的工作情況好于其它太陽(yáng)能電池，容易
用于玻璃幕墻，特別適合在新建建筑上使用，符合我們國(guó)家的建筑節(jié)
能政策。因此，非晶硅、微晶硅薄膜在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)中潛力巨大， 在整個(gè)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中的地位正在不斷上升。非晶硅光電薄
膜技術(shù)已經(jīng)成為全球光電產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)新焦點(diǎn)。當(dāng)前，如何在玻璃、金屬 箔片、塑料等襯底上廉價(jià)、快速沉積大面積高質(zhì)量的硅薄膜成為當(dāng)前 各國(guó)研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。
真空薄膜沉積技術(shù)主要分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩大
類。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)是當(dāng)前沉積硅薄膜的主流 技術(shù)。該技術(shù)采用氣態(tài)硅烷作為源料，在等離子體作用下，可以在比
較低的溫度下，實(shí)現(xiàn)非晶硅甚至微晶硅薄膜的沉積。但該技術(shù)也具有 硅烷源料易燃易爆、利用率不高、硅薄膜沉積速率慢、大型產(chǎn)業(yè)化設(shè) 備復(fù)雜昂貴等缺點(diǎn)。物理氣相沉積主要包括蒸發(fā)、濺射、離子鍍等工 藝。相對(duì)于化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積特別是蒸發(fā)技術(shù)，工藝簡(jiǎn)單、 成本低廉，被廣泛用于各種金屬薄膜的沉積。根據(jù)加熱方式又可以分 為普通電阻熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)和感應(yīng)熱蒸發(fā)三類。從大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化 角度看，中頻、高頻感應(yīng)蒸發(fā)最有前途。感應(yīng)加熱蒸發(fā)具有有高效節(jié) 能、易控制調(diào)節(jié)、維護(hù)方便、安裝好即可生產(chǎn)、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但 是當(dāng)前的真空感應(yīng)蒸發(fā)鍍膜技術(shù)還只能用于在塑料、玻璃等襯底上沉 積性能要求不髙的薄膜材料。由于半導(dǎo)體功能薄膜，特別是硅薄膜的 沉積在純度、均勻性和結(jié)構(gòu)缺陷鈍化方面有很高的要求，因此，目前 的感應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)還不能勝任該類薄膜的沉積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種工藝方法 簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)成本低、可以在玻璃、塑料、金屬薄片等襯底 上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量硅薄膜的快速沉積、缺陷鈍化、摻雜和微晶化的等離子 增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法。
本發(fā)明… 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法是釆用下 述方案實(shí)現(xiàn)的在真空環(huán)境下，感應(yīng)加熱高純硅原料，產(chǎn)生的硅蒸汽 經(jīng)氫等離子體離化，并沉積于襯底。
本發(fā)明… 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法中，在感
應(yīng)加熱裝置和襯底之間，設(shè)置有電感耦合或者電容耦合等離子體發(fā)生 裝置。
本發(fā)明-- 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法中，所述
高純硅原料為純度大于99.99%的固體硅。
本發(fā)明-- 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法中，可在
氫等離子體中實(shí)現(xiàn)硅薄膜的缺陷鈍化和納米晶、微晶晶化。
本發(fā)明… 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法中，可以
直接蒸發(fā)p型硅原料實(shí)現(xiàn)硅薄膜的p型摻雜。
本發(fā)明--- 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法中，可在 氫等離子體氣氛中通入磷烷氣體，實(shí)現(xiàn)硅薄膜的ii型摻雜。
本發(fā)明--- 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法中，所述 感應(yīng)加熱裝置為高頻感應(yīng)加熱裝置或中頻感應(yīng)加熱裝置中的一種。
本發(fā)明--- 一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法中，所述 真空環(huán)境可以是多個(gè)相互連通的獨(dú)立真空腔體。
本發(fā)明的工作原理及優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)述于下本發(fā)明采用成熟的中頻、 高頻感應(yīng)加熱技術(shù)在真空腔體中實(shí)現(xiàn)高純硅料的蒸發(fā)、沉積，可以有 效提高蒸發(fā)速度、杜絕蒸發(fā)過(guò)程中的污染，大大提高生產(chǎn)效率，保證 膜層質(zhì)量，有效克服傳統(tǒng)熱蒸發(fā)蒸發(fā)源面積小、加熱過(guò)程中易飛濺、 生產(chǎn)效率低、膜層不均勻，針眼多等質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)；另外，本發(fā) 明在蒸發(fā)坩鍋的頂部和襯底之間設(shè)置電感耦合或者電容耦合等離子 體發(fā)生裝置，在真空腔體中通入一定量的氫氣，經(jīng)等離子體發(fā)生裝置 產(chǎn)生氫等離子體，硅蒸汽經(jīng)過(guò)氫等離子體時(shí)，吸收等離子體能量，沉
積到襯底時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)在較低的襯底溫度下晶化，從而獲得微晶硅; 同時(shí)，氫可以結(jié)合在硅薄膜的懸掛鍵上，起到鈍化缺陷的作用，從而 提高硅薄膜的電學(xué)特性。另外，在真空腔體中通入一定量的氫氣和磷 烷氣體，在等離子體作用下，即可實(shí)現(xiàn)低溫下N型非晶硅、微晶硅的 沉積。而直接蒸發(fā)硼摻雜的P型硅原料，在氫等離子體作用下，即可 實(shí)現(xiàn)低溫下P型非晶硅、微晶硅的沉積。特別是本發(fā)明采用在多個(gè)相 互連通的真空腔體中分別實(shí)現(xiàn)P, I， N層硅薄膜的沉積，可以最大限 度的降低交叉污染，有效保證膜層質(zhì)量。采用本發(fā)明，在真空腔體中 配以相應(yīng)的襯底自動(dòng)更換或者柔性襯底巻繞設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化沉 積，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明與等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD) 技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)
1) 沉積速度快PECVD低溫沉積硅薄膜， 一般速度低于lnm/s， 而本發(fā)明工藝低溫下很容易實(shí)現(xiàn)10—20 nm/s的沉積速率；
2) 安全可靠PECVD采用的氣態(tài)硅烷易燃易爆，而本發(fā)明工藝采 用的是固體硅，無(wú)毒無(wú)害；
3) 成本低廉PECVD工藝中硅烷利用率低，大部分硅烷成為尾氣 而浪費(fèi)，而本發(fā)明工藝中高純多晶硅利用率高、回收率高。
綜上所述，本發(fā)明工藝方法簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)成本低、可以 在玻璃、塑料、金屬薄片等襯底上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量硅薄膜的快速沉積、缺 陷鈍化、摻雜和微晶化，配以相應(yīng)的襯底自動(dòng)更換或者柔性襯底巻繞
設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化沉積，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，可替代現(xiàn)有硅薄膜沉 積工藝。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
以玻璃作為襯底，襯底溫度保持300'C。原材料采用純度大于6N 的多晶硅，放置于高純(〉5N)石墨坩鍋內(nèi)。在真空腔體中通入一定 量的氫氣和氬氣，兩種氣體比例為h 1，真空度保持在5Pa。置于 蒸發(fā)源和襯底之間的電感耦合線圈產(chǎn)生等離子體。開(kāi)啟感應(yīng)加熱電 源，逐漸加大功率，實(shí)現(xiàn)石墨坩鍋內(nèi)硅的熔化和蒸發(fā)。在氫+氬等離 子體輔助下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量微晶硅薄膜的沉積。通過(guò)感應(yīng)蒸發(fā)功率的調(diào)節(jié) 可以方便地實(shí)現(xiàn)硅薄膜沉積速率的調(diào)節(jié)。典型厚度為800納米，沉積 速率保持在5nm/s。該微晶硅薄膜可以用于薄膜太陽(yáng)能電池制作。 實(shí)施例2
襯底為預(yù)先沉積有一層100納米厚的ZnO:In薄膜的柔性AI箔。 源材料采用純度大于6N的多晶硅，坩鍋為高純(>5N)石墨。在真 空腔體中通入一定量的氫氣和氬氣，兩種氣體比例為h 1，真空度 保持在5.0Pa。在蒸發(fā)源和襯底之間用電感耦合線圈離化、產(chǎn)生等離 子體。開(kāi)啟感應(yīng)加熱電源，逐漸加大功率，實(shí)現(xiàn)石墨坩鍋內(nèi)硅的熔化 和蒸發(fā)。在氫+氬等離子體輔助下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量多晶硅薄膜的沉積。硅 薄膜沉積時(shí)，Al箔襯底溫度保持500'C 。通過(guò)感應(yīng)蒸發(fā)功率的調(diào)節(jié)可 以方便地實(shí)現(xiàn)硅薄膜沉積速率的調(diào)節(jié)。所沉積的多晶硅典型厚度為 5.0微米，沉積速率保持在10 nm/s。該多晶硅薄膜可用于高效多晶硅
薄膜太陽(yáng)能電池制作
采用柔性PET塑料作為襯底，襯底溫度維持為150°C。采用等離 子體增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)蒸發(fā)純度大于5N的固體硅源料，真空腔體 中通入一定量的02氣體，真空度維持1.0Pa。釆用電感耦合方式在 坩鍋和襯底間產(chǎn)生等離子體區(qū)域，在氧等離子體輔助下蒸發(fā)硅料，從 而在PET塑料襯底上沉積一層厚度為100納米厚的Si02過(guò)渡層，沉 積速率為lnm/s。接著，抽盡氧氣，通入體積比為l: l的氫、氬氣 體，真空氣壓保持0.5Pa。在氫、氬等離子體輔助下，蒸發(fā)硼摻雜的 p型多晶硅原料，繼續(xù)在Si02過(guò)渡層上沉積一層厚度為100納米的p 型非晶硅薄膜，沉積速率為0.511 1/8。該非晶硅薄膜可用于柔性薄膜 晶體管的制作。
權(quán)利要求
1.一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法，其特征在于在真空環(huán)境下，感應(yīng)加熱高純硅原料，產(chǎn)生的硅蒸汽經(jīng)氫等離子體離化，并沉積于襯底。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方 法，其特征在于在感應(yīng)加熱裝置和襯底之間，設(shè)置有電感耦合 或者電容耦合等離子體發(fā)生裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方 法，其特征在于所述高純硅原料為純度大于99.99%的固體硅。
4，根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法，其特征在于在氫等離子體中實(shí)現(xiàn)硅薄膜的缺陷鈍化和納米晶、微晶晶化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法，其特征在于直接蒸發(fā)p型硅原料實(shí)現(xiàn)硅薄膜的p型摻雜。
6，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方 法，其特征在于在氫等離子體氣氛中通入磷烷氣體，實(shí)現(xiàn)硅薄 膜的n型摻雜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方 法，其特征在于所述感應(yīng)加熱裝置為高頻感應(yīng)加熱裝置或中頻 感應(yīng)加熱裝置中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方 法，其特征在于所述真空環(huán)境可以是多個(gè)相互連通的獨(dú)立真空 腔體。
全文摘要
一種等離子增強(qiáng)的感應(yīng)蒸發(fā)硅薄膜沉積方法，是在真空環(huán)境下，感應(yīng)加熱高純硅原料，產(chǎn)生的硅蒸汽經(jīng)氫等離子體離化，并沉積于襯底，在所述感應(yīng)加熱裝置和襯底之間，設(shè)置有電感耦合或者電容耦合等離子體發(fā)生裝置。本發(fā)明工藝方法簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)成本低、可以在玻璃、塑料、金屬薄片等襯底上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量硅薄膜的快速沉積、缺陷鈍化、摻雜和微晶化，配以相應(yīng)的襯底自動(dòng)更換或者柔性襯底卷繞設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化沉積，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，可替代現(xiàn)有硅薄膜沉積工藝。
文檔編號(hào)C23C16/22GK101338415SQ200810032168
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者青 萬(wàn), 易宗鳳 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)