[發明專利]一種等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置及方法

在審

• 申請號: 201310121151.8
• 申請日: 2013-04-09
• 公開（公告）號: CN104099585A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 李燦;秦煒;劉生忠;王書博
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C23C16/517
• 分類號: C23C16/517
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

1.一種等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：該裝置包括設置于真空腔體內部的樣品臺、平板襯底、熱絲和射頻電極，以及設置于真空腔體外部的射頻電源、偏壓電源和直流電源；其中：所述熱絲設置于樣品臺與射頻電極之間，所述平板襯底固定在樣品臺表面上；所述直流電源用于加熱所述熱絲，其兩極分別通過熱絲電極與所述熱絲的兩端相連；所述偏壓電源用于在射頻電極和樣品臺之間施加偏壓，偏壓電源與樣品臺相連接；所述射頻電源用于產生等離子體，等離子體的外層區域會自發產生鞘層電場，鞘層電場通過加速等離子體中的帶電物種對襯底造成離子轟擊，所述射頻電源與射頻電極相連接。

2.根據權利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：所述樣品臺與真空腔體之間無電接觸，所述射頻電極到襯底間的距離為0.5～30cm，所述熱絲到樣品臺的距離為1～8cm。

3.根據權利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：所述樣品臺使用導電材料制作，其電導率為10³～10⁸S/cm之間；所述樣品臺表面的面積為100～1.5×10⁴cm²，射頻電極表面的面積大于樣品臺的表面面積。

4.根據權利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：所述樣品臺的表面采用向上、向下或傾斜的設計，傾斜設計的樣品臺表面與水平面形成的二面角大于等于30°，襯底固定在樣品臺表面，在襯底表面進行硅薄膜的沉積，以減少等離子體產生粉塵對薄膜生長質量的影響。

5.根據權利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：所述熱絲為一根或多根，所述熱絲的形狀為直線形、螺線、網狀、呈費馬螺線的曲線或其它形狀；當采用多根熱絲時，其布局為交叉排列、平行排列或其它排列方式；平行排列時，相鄰熱絲之間的間距為1～10cm。

6.根據權利要求5所述的等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：當多根熱絲的布局方式為平行排列時，所述熱絲電極為熱絲支架；所述熱絲支架包括相互連接的支架Ⅰ、支架Ⅱ和用于支撐支架Ⅰ的托架，所述支架Ⅰ和支架Ⅱ平行設置，所述熱絲通過螺絲固定在支架Ⅰ上；在真空腔中，使用帶有抓放裝置的磁力桿收回或放出熱絲支架。

7.根據權利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：所述襯底的材質為玻璃、硅片或聚酰亞胺；所述熱絲的材質為石墨、碳化鎢、氮化鎢、碳化鉭、氮化鉭或金屬，金屬材質的熱絲為鎢、錸、鉭、鉬、銠、鉑、鈦或銥的純金屬或其合金。

8.根據權利要求1所述的等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，其特征在于：所述射頻電源類型為RF、VHF和直流中的一種；所述偏壓電源為直流電源、方波發生器或正弦波發生器。

9.利用權利要求1-8任一所述的裝置制備硅薄膜的方法，其特征在于：該方法以H₂和SiH₄作為反應氣體，反應氣體在等離子體和熱絲的共同作用下發生分解，等離子體的鞘層電場對等離子體中的帶電物種進行加速，對襯底造成離子轟擊；施加的偏壓能夠增強或減弱離子對薄膜的轟擊強度以及調節等離子體中離子和電子能量；通過對偏壓的大小、偏壓的形式、硅烷濃度、襯底和射頻電極間距和/或射頻功率的調控，實現對所制備硅薄膜的結構和質量的控制。

10.根據權利要求9所述的制備硅薄膜的方法，其特征在于：該方法中，樣品臺溫度為100～350℃之間穩定，真空腔體內SiH₄和H₂的體積比為SiH₄：H₂=0.5%～100%，調節真空腔體內壓力在1～2000Pa間穩定，開啟直流電源對熱絲通電加熱至1500～2200℃，開啟射頻電源產生等離子體，控制射頻功率密度介于0.1～5.0W/cm²之間。

11.根據權利要求9或10所述的制備硅薄膜的方法，其特征在于：通過調節等離子體電極與樣品表面間距，能夠調控硅薄膜的晶化程度；在等離子體電極和樣品臺表面間距不改變的情況下，隨著等離子體功率密度的降低，硅薄膜晶化程度逐漸降低。

12.根據權利要求9或10所述的制備硅薄膜的方法，其特征在于：在等離子體和樣品臺之間施加直流偏壓的范圍為-100～100V，通過控制偏壓的極性和強度能夠調整薄膜的質量；在等離子體和樣品臺之間施加交流偏壓，頻率為20～20kHz，通過控制偏壓的頻率和強度能夠調整薄膜的質量、減少粉塵、優化晶粒的取向并對晶粒的尺寸進行控制。