[發明專利]多晶硅薄膜低溫物理氣相沉積裝置及其方法

無效

• 申請號: 201010293669.6
• 申請日: 2010-09-28
• 公開（公告）號: CN102002668A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 蘇元軍;孫琦;高橋英治;董闖;徐軍;范鵬輝
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;日新電機株式會社;日新電機（大連）技術開發有限公司
• 主分類號: C23C14/14
• 分類號: C23C14/14;C23C14/35
• 代理公司: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 花向陽

技術領域

本發明涉及一種多晶硅薄膜低溫物理氣相沉積裝置及其方法，更具體地說，是一種具有等離子體源輔助的反應磁控濺射裝置及方法，屬于半導體薄膜材料技術領域。

背景技術

?多晶硅薄膜作為一種新材料，已廣泛應用于薄膜晶體管（TFT）顯示、半導體存儲、太陽能等領域。多晶硅薄膜由于其較高的電子遷移率和較穩定的光學性能越來越受到人們的關注。多晶硅薄膜在長波段具有光敏性，能有效吸收可見光而且有光照穩定性，不像a-Si：H有光退化（SW）效應，故多晶硅薄膜可以作為更高效、更穩定的光伏薄膜材料。同時，多晶硅薄膜的遷移率可以達到300cm????????????????????????????????????????????????·V·s以上，為非晶硅薄膜的十倍以上，接近塊狀材料的遷移率，這就使得多晶硅可以作為場效應管的柵極、三極管的發射極，也可以作為器件的互連材料。用多晶硅材料制成的薄膜晶體管（TFT）可望用于3D集成電路及大陣列液晶顯示器件。

生長多晶硅薄膜的方法可分為直接生成法和間接結晶化法。目前直接生成法主要以化學氣相沉積為主，主要包括：等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）、超高頻等離子體增強化學氣相沉積（VHF?PEVCD）、直流放電化學氣相沉積（DCCVD）、熱絲化學氣相沉積（HWCVD）、電子回旋共振化學氣相沉積（ECR?CVD）等。

超高頻等離子體化學沉積（VHF?PECVD）法是以H稀釋的SiH氣體為源氣體，襯底溫度在250℃-400℃之間，使用傳統的等離子體增強化學氣相沉積設備，提高等離子體的激發頻率直接沉積形成。這種方法存在的問題是其用有毒氣體硅烷（SiH）需配置完整的氣體回收設備及系統，造成成本較高，另，其生長速度較低，亦不利于降低生產成本。

直流放電化學氣相沉積（DCCVD）法以H稀釋的SiH氣體與Ar的混合氣體為源氣體，在極板之間加以直流電壓、電流形成等離子體，在基板上形成多晶硅薄膜。

熱絲化學氣相沉積（HWCVD）法是以H稀釋的SiH或SiH氣體先通過高溫的金屬絲（通常為金屬W），被分解后沉積在基板上形成多晶硅。這種方法制備的多晶硅材料金屬離子污染問題還沒解決。

電子回旋共振化學氣相沉積（ECR?CVD）法以H稀釋的SiH氣體為源氣體，利用高密度離子流在ECR等離子區附近的基板上沉積Si原子從而形成多晶硅薄膜。

上述直接生成制備方法在不同程度上存在著如下問題：都運用到了以H稀釋的SiH氣體作為源氣體，SiH是一種無色易燃有毒氣體，這就決定了使用時需要配備有一套完整的尾氣處理輔助設備及系統。從而使制造成本大大提升。而且在安全性上亦有很大隱患。

間接結晶化法，主要為激光退火晶化法。

激光退火晶化法利用高能量的激光照射非晶硅薄膜，使非晶硅薄膜吸收激光能量，而使該非晶硅薄膜呈融化狀態，待冷卻后再結晶成低溫多晶硅薄膜。該方法生產效率低，且難以獲得大面積材料。

上述間接生長方法通常是在一基板上先沉積一層非晶硅層之后，再進行回火將原本的非晶硅層轉變成為多晶硅層。這種方法由于非直接生長，步驟比較冗長繁瑣。其生產效率不高，故不利于工業推廣。

發明內容

?本發明以取代現有的等離子體增強化學氣相沉積方法為目的，提供一種安全、成本低廉的直接低溫多晶硅薄膜制備裝置及方法。要解決的主要技術問題是：①?利用物理氣相沉積方法，代替現有等離子體增強化學氣相沉積技術，不使用SiH氣體前提下，直接沉積出多晶硅薄膜。②?在相對較低的溫度（300℃以下）下，沉積出多晶硅薄膜，從而在成本較低的基板，即普通玻璃，上生沉積晶硅薄膜。

本發明的技術方案是：一種多晶硅薄膜低溫物理氣相沉積裝置，它主要包括由插板閥分隔的主真空室及輔助真空室、主真空室的抽氣系統和輔助真空室的抽氣系統，在主真空室中設有一個加熱器及樣品臺，該加熱器及樣品臺的升降采用設置在主真空室外的樣品臺升降機構驅動，一個用于傳遞樣品和樣品托盤的磁力傳遞桿伸入輔助真空室中；它還包括一個設置在所述主真空室上的ICP電感耦合等離子體源和一個設置在所述主真空室中的磁控濺射孿生靶；所述ICP電感耦合等離子體源包含通過電路連接的射頻電源、匹配箱和銅管，并固定在所述主真空室上的石英玻璃及陶瓷墊片之上；所述磁控濺射孿生靶包含多晶硅硅靶及在其后面設置的永磁鋼、冷卻水裝置和通過電路連接的脈沖中頻靶電源；在所述主真空室的上部設置有工作氣體H進氣口及工作氣體Ar進氣口。