[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

技術領域

本發明涉及硅薄膜的制備技術領域，具體涉及一種等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置及方法，該方法是以等離子體和熱絲相結合的方法分解反應氣體，在平面襯底表面制備硅薄膜，同時使用偏壓對硅薄膜的生長質量進行控制。

背景技術

HWCVD是一種成熟的CVD技術，當前廣泛的用于硅薄膜材料的制備過程中，HWCVD具有設備簡單、氣體分解效率高的優勢。PECVD技術廣泛的用于硅薄膜太陽電池的生產過程中，RF生長納米晶硅需要很低的硅烷濃度（小于2%），生長速率很慢（小于）。HWCVD沉積速率快，氣體利用率高，但是薄膜品質不及PECVD的方法。將二者結合，可以實現比單獨使用上述單一一種氣體分解方式更高的氣體利用率，比單一使用熱絲法在制備的材料具有更好的質量。

偏壓技術可以在PECVD中實現對硅薄膜質量的控制，通過偏壓的極性和強度可以控制硅薄膜的生長速率、晶化度和電學性質，在PECVD使用直流、交流偏壓控制硅薄膜質量的技術得到了廣泛的研究。在結合方法中使用偏壓實現與PECVD中使用偏壓相似的效果。

發明內容

本發明的目的在于提供一種等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置及方法，該方法是在化學氣相沉積過程中使用熱絲(HWCVD)、等離子體(PECVD)和偏壓結合分解反應氣體沉積硅薄膜的方法，以下簡稱結合方法(P-HWCVD)。制備出的硅薄膜材料與單一使用熱絲法制備的材料相比更適合用于太陽電池。同時，使用結合方法(P-HWCVD)，可以實現比單獨使用上述單一一種氣體分解方式具有更高的氣體利用率，比單一使用熱絲法(HWCVD)在超高速率制備的材料具有更好的質量。

本發明技術方案如下：

一種等離子體-熱絲-偏壓結合制備硅薄膜的裝置，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(等離子體電極)，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(等離子體電極)和樣品臺之間施加偏壓，偏壓電源與樣品臺連接；所述射頻電源（等離子體電源）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。

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，最好是4～20cm，更好是4.5～15cm；所述熱絲到樣品臺表面的距離為1～8cm，更好是2～5cm，最好是2～3.5cm。

所述樣品臺使用導電材料制作，通常為金屬，其電導率在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。

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。

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；平行排列時，相鄰熱絲之間的間距為1～10cm，更好是1～7cm間，最好是2～5cm間。

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。

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、鈦或銥的純金屬或者為上述純金屬的合金。

所述射頻電源類型為RF、VHF和直流中的一種，優選使用RF電源；所述偏壓電源為直流電源、方波發生器或正弦波發生器。