BG110930A - Устройство и метод за отлагане на тънки микрокристални слоеве - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до устройство и метод за отлагане на тънки микрокристални слоеве, по-специално тънки микрокристални силициеви слоеве, които намират приложение за получаване на различни полупроводникови структури и по-специално за производство на слънчеви клетки и модули. Методът се основава на плазмено-асистирано отлагане от газова фаза, а създаденото за неговото осъществяване устройство дава възможност за отлагането на микрокристални силициеви слоеве върху 32-48 стъклени подложки едновременно. Отлагането се извършва в създаденото за целта устройство последователно, с оглед формиране на p-i-n слоеве с различна микрокристална структура, в рамките на един работен цикъл. Създадените устройство и метод да отлагане на тънки микрокристални слоеве чрез плазмено-асистирано химическо отлагане от газова фаза дават възможност за увеличаване на производителността, намаляване на разходите за работни газове и електрическа енергия, а използването на електроди, формиращи електрическото поле в работната камера, разположени върху държател, който се внася в камерата за работния цикъл и се извежда от нея след приключването му, намалява разходите за тяхното почистване и облекчава обслужването.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до устройство и метод за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано химическо отлагане от газова фаза, и по-специално, за получаване на тънки микрокристални силициеви покрития, които намират приложение за получаване на различни полупроводникови структури и по-специално за производство на слънчеви клетки и модули.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е метод за плазмено-асистирано химическо отлагане от газова фаза, използуващ плазма за увеличаване на скороста на реакцията, при което се получават тънки покрития от силиций, включително аморфен, микрокристален, поликристален и/или епитаксиален. Известно е също, че за прилагане на метода се използуват устройства, някои от които са пригодени за работа при атмосферно налягане, а при други процеса протича при понижено налягане или при ултра висок вакуум и температури по-високи от 250-300°С. Известно е, че тези методи и устройства намират приложение при производството на силициеви слънчеви батерии с P-I-N структури на силициевото покритие. Силициевите слънчеви батерии с такава структура преобразуват светлинната енергия в електрическа и имат широко приложение в бита и техниката.

Международна патентна заявка W02009127714 описва такава P-I-N структура на фотоволтаичен панел. Наслояването се извършва върху стъклена подложка, а дебелината на получените различни по своята структура и проводимост слоеве е от 160 до 400 nm. Получаването на аналогична структура на фотоволтаична клетка е описано и в W02009139791.

Европейски патент ЕР0478174 описва метод за получаване на многослойни отлагания на силициеви съединения върху подложки, при условия на плазменоасистирано отлагане, при който се използува газ силан и кислороден компонент.

Слоевете на покритието се формират в условията на високочестотно магнитно поле. Газовата плазма се формира в камера, в която хоризонтално, върху подходяща поставка, е закрепена повърхността, върху която се извършва отлагането, а успоредно на тази повърхност се разпространява формираната под въздействие на високото напрежение плазма.

Камерата включва газоразпределителна тръба, електроди и хоризонтална поставка за подложката, разположени вътре в нея. Газоразпределителната тръба

е свързана по подходящ начин с източници на газ, а към електродите се подава RF напрежение от разположен извън камерата генератор.

Европейски патент ЕР0526779 описва метод за селективно двуслойно отлагане на силиций върху повърхности от стъкло или метал, при подходяща температура и налягане, при използуване на газ сипан и водород, в плазмени условия. Отлагането се осъществява при температура 250-300°С. Високото напрежение, създаващо плазма, е от 80 до 100 mW/cm². Полученото покритие е съставено от два различни по своята структура слоеве. При прилагане на метода се получават п- и с-тип структури на покритието с дебелина около 10 цт.

Известни са устройства за плазмено-асистирано отлагане в газова фаза, които се състоят от камера, във вътрешността на която са фиксирани електроди, за

йонизиране постъпващия в камерата газ, а подложката, върху която се извършва отлагането, се поставя върху подходяща поставка, разположена във вътрешността на камерата. За йонизиране на постъпващия в камерата газ се използува високо честотно напрежение при температура 350-400 °C /US6477980; US20060060138/.

Недостатък на известните устройства и методи за плазмено-асистирано отлагане в газова фаза е отлагането на микрокристални слове върху една, максимум две подложки в рамките на един работен цикъл, което намалява производителността им и увеличава разходите за работни газове и електрическа енергия, а фиксирането на електродите, формиращи електрическото поле в работната камера, затруднява тяхното почистване.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е създаване на устройство за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано отлагане от газова фаза така, че отлагането да се осъществява върху голям брой стъклени подложки при последователно p-i-n слоеве с различна микрокристална структура, в рамките на един работен цикъл, при намален разход на работни газове и ел. енергия, лесен за обслужване.

Задача на изобретението е и създаване на метод за прилагане на устройството, съгласно изобретението.

Съгласно изобретението, е създадено устройство за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано отлагане от газова фаза, което се състои от входно-изходна камера, в предната част на която е разположен люк. Задната част на входно-изходната камера е свързана чрез шлюз с работна камера за отлагане на микрокристални силициеви слоеве. Във вътрешността на двете камерите се придвижва монтирания на колела държател, с форма на паралелепипед. Държателят се състои от 9-12 сектора, оформени от

крайни неподвижно закрепени заземени електроди, а в средата на секторите са разположени неподвижно закрепени междинни електроди. Непосредствено над така оформените сектори е разположена газоразпределителна камера перфорирана в долната си част. Оформените между електродите сектори на държателя, са предназначени за вертикално поставяне на стъклените подложки. И двете камери са подвързани към отделни вакуумни системи, съставени от вакуумпомпи за нисък и за дълбок вакуум. В средата на горната част на работната камера е прекарана газова линия, долната част на която е свързана, в работен режим към газ разпределителната камера на държателя, а горната й част е свързана неподвижно с разположена извън нея газова разпределителна кутия. Газовата разпределителна кутия се състои от успоредно разположени една над друга газ линии на работни газове, които чрез вентил-регулатори на газовия поток, се обединяват в линия, отвеждаща газовата смес в горната част на работната • · ♦· ♦

камера. В долната част на работната камера са изведени конектори, чрез които електродите на държателя са свързани, в работен режим, към генератори на високочестотно електромагнитно поле, разположени извън камерата. Към работната камера е подвързана процесна помпа, която служи за изпомпване на газовете и поддържане постоянен газов поток през държателя.

Задачата на изобретението се решава и чрез метода за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано отлагане от газова фаза на микрокристални силициеви слоеве, при който, предварително

почистени, стъклените подложки, върху които се извършва отлагането, се поставят вертикално във формираните между междинните и крайните заземени електроди сектори на мобилен държател. В държателят се зареждат от 32 до 48 бр. стъклени подложки за един работен цикъл. Така зареденият държател се загрява до 200-230°С в конвекционна подгряваща камера и след което се транспортира до камерата на устройство за плазмено-асистирано отлагане от газова фаза. Плазмено асистираното отлагане се провежда при условия на висок вакуум от 10‘⁶ - 10'⁷ mbar на три последователни етапа, при които се получават тънки микрокристални силициеви слоя с различна проводимост, и се формира структура от p-i-n тип върху стъклената подложка. За отлаганене на микрокристален силициев слой с р- проводимост през отворите на газразпределителната камера на държателя се пропуска газов поток съставен от „р”-легиращ газ, газ, източник на силиций, и водород, след стабилизиране на газовият поток и установяване на работно налягане, към електродите се подава високочестотно напрежение, с помощта на което се образува плазма в секторите, в които са поставени подложките и започва процеса на плазмено-асистирано отлагане на слоеве от химическа фаза (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). При достигане на желаната дебелина на отложения слой, подаването на газ се преустановява, работната камера се вакуумира до вакуум 10‘⁶ - 10'⁷ mbar и към държателя се подава газова смес, за формиране на „Г-слой, съдържаща газ, източник на силиций и водород. След стабилизиране на газовия поток между електродите се подава високо честотно напрежение, с помощта на което се »« ♦ образува плазма в секторите, където са разположени подложките, и отново се инициира процес на плазмено-асистирано отлагане. Процесът се преустановява след постигане на желаната дебелина на отложения слой. Газовият поток се спира и отново работната камера се вакуумира до достигане на 10'⁶ - 10'⁷ mbar вакуум. При достигане на тези нива на вакуум към държателя се подава газова смес за формиране на η-проводим слой, съставен от „п”-легиращ газ и водород. След стабилизиране на газовия поток между електродите отново се подава високочестотно напрежение, с помощта на което се образува плазма в секторите, където

са разположени подложките, и отново се инициира процес на плазменоасистирано отлагане. Процесът продължава до получаване на „п”- слой с желана дебелина. След приключване на отлагането държателя, в който са поместени подложките, се изтегля извън камерата, охлажда се до стайна температура в конвекционна камера със студен въздух, след което стъклените подложки се изваждат.

Чрез промяня на вида и съотношението на газовете, съставящи газовия поток, промяна на работното налягане и мощността на електромагнитното поле се получават различни типове слоеве върху стъклените подложки. Дебелината на отложените слоеве се регулира чрез времето на отлагане.

За формиране на газовия поток, като източник на силиций се използува газ силан© SiH₄.

Легиращите газове, включени в състава на газовата смес, са източник на контролируеми включвания. Използват за модифициране на локалните електрически свойства на отлагания полупроводниковия материал. Така „р”легиращите газове допринасят за дефицит на електрони, а n-легиращите- за излишък от електрони,, което променя проводимостта на покритието.

Като „р”-легиращ газ за получаване на легирано микрокристално силициево покритие с „р”- тип проводимост е за предпочитане да се използува триметилбром, В(СН₃)з.

· · 9 9 · 9 ·

Като „n’’-легиращ газ за получаване на легирано микрокристално силициево покритие с „п”-тип проводимост, се използува фосфин.РНз.

Предимствата на създадените устройство и метод за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано отлагане от газова фаза, е възможността за отлагане на микрокристални силициеви слоеве върху 32-48 стъклени подложки едновременно, върху които се отлагат последователно p-i-n слоеве с различна микрокристална структура, в рамките на един работен цикъл, което увеличава производителността на устройството,

намалява разходите за работни газове и електрическа енергия, а използуването на електроди, формиращи електрическото поле в работната камера, разположени върху държател, който се внася в камерата за работния цикъл и се извежда от нея след приключването му, намалява разходите за тяхното почистване и облекчава обслужването.

Пояснение на приложените фигури

На фиг.1 е представен напречен разрез на устройството за плазмено-асистирано отлагане в газова фаза на микрокристални силициеви слоеве.

Фиг.2 изобразява напречен разрез на държателя за стъклени подложки, 4, върху повърхността на които се извършва отлагането.

Примери за изпълнение на изобретението

На фиг.1 и 2 е изобразен пример за изпълнение на устройство за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано отлагане от газова фаза, съгласно изобретението. Устройството се състои от входноизходна камера 1, в предната част на която е разположен люк 17. Задната й част е свързана с работна камера за отлагане на микрокристални силициеви слоеве 2, чрез шлюз 3, а във вътрешността им се придвижва монтирания на колела държател 4, с форма на паралелепипед. Държателят се състои от 9 до 12 броя сектори 6, оформени от крайни неподвижно закрепени заземени електроди 5, и неподвижно закрепени междинни електроди 7. Непосредствено над така t· »· оформените сектори 6 е разположена газоразпределителна камера 8, перфорирана в долната си част. Оформените от електродите 5 и 7 сектори 6 на държателя 4, са предназначени за вертикално поставяне на стъклените подложки. Камерите 1 и 2 са подвързани към отделни вакуумни системи, съставени от вакуумпомпи 9, за нисък, и вакуумпомпи 10, за дълбок вакуум.В средата на горната част на работната камера 2 е прекарана газова линия 11, долната част на която е свързана към газ разпределителната камера 8 на държателя 4, а горната част е свързана неподвижно с разположена извън нея газова разпределителна кутия 12. Газовата разпределителна кутия 12 се състои от успоредно разположени една над друга газ линии на работни газове 13, които чрез вентил-регулатори на газовия поток 14, се обединяват в линия 11, отвеждаща газовата смес в горната част на работната камера 2. В долната част на работната камера 2 са изведени конектори 15, чрез които електродите на държателя са свързани към генератори на високочестотно електромагнитно поле 16, разположени извън камерата. Работната камера 2 е свързана с процесна помпа 18, която изпомпва газовете и поддържа постоянен поток през държателя по време на работа.

Стъклените подложки, върху които се извършва отлагането, предварително почистени, се поставят вертикално във формираните между междинните електроди 7 и крайните заземени електроди 5, сектори 6 на държателя 4. Така

зареден, държателят 4 се поставя в конвекционна подгряваща камера, където се загрява до 220°С. Загретият до процесната температура държател 4 се транспортира във входно-изходната камера 1 на устройството с помощта на специално направена за целта количка. Затваря се входният люк 17 на входноизходната камера 1, след което тя се вакумира първоначално до налягане в диапазона 10'³ mbar, което се създава от помпа за нисък вакуум 9, след което се включва високо-вакуумната помпа 10, докато налягането във входно-изходната камера 1 достигане 10'⁷ mbar. При достигане на това налягане се отваря шлюзът 3, разделящ входно-изходната камера 1 и работната камера 2. Държателят 4 се избутва в работната камера 2. Шлюзът 3 се затваря. Посредством автоматизирани конектори, електродите 5 и 7 на държателят 4 се присъединяват към генератори • · » · · • ··« на високо-честотно електромагнитно поле 16. Газоразпределителна камера 8 на държателя 4 се подвързва към газова линия 11 на работната камера 2. През отворите на газразпределителната камера 8 на държателя 4 се пропуска за няколко минути газ аргон, за прочистване, след което работната камера се вакуумира отново до налягане в диапазона 10'⁶ 10'⁷ mbar. При достигане на това вакуум ниво, през държателя 4 се подава газов поток съставен от триметилбор, силан, и водород. Съставът на сместа се определя чрез задаване на съответни

електрически сигнали към вентил-регулаторите на газовия поток 14, намиращи се в газ-разпределителната кутия 12. След стабилизиране на газовият поток и установяване на работно налягане, към електродите се подава високочестотно напрежение, с помощта на което се образува плазма в обема между подложките и започва процеса на плазмена-асистирано отлагане на слоеве от химическа фаза.

При достигане на желаната дебелина на отложените слоеве, подаването на газ се преустановявя. Работната камера 2 се вакуумира до вакуум 10'⁶ - 10'⁷ mbar и към държателя 4 се подава газова смес, съдържаща източник на силициий и водород. След стабилизиране на газовия поток между електродите 5 и 7 се подава високо честотно напрежение, с помощта на което се образува плазма в секторите 6, където са разположени подложките, и отново се инициира процес на плазменоасистирано отлагане. Процесът се преустановява след постигане на желаната дебилина на слоя. Газовият поток се спира и отново работната камера 1 се вакуумира до достигане на 10‘⁷mbar вакуум.При достигане на тези нива на вакуум към държателя 4 се подава газова смес от фосфин, силан и водород. След стабилизиране на газовия поток между електродите 5 и 7, отново се подава високо-честотно напрежение, с помощта на което се образува плазма в секторите 6, където са разположени подложките, и отново се инициира процес на плазменоасистирано отлагане. Процесът продължава до получаване на п- слой с желана дебелина. След приключване на отлагането работната камера 2 се вакуумира отново до вакуум 10‘⁷ mbar за почистване на камерата от останали в нея газове. След което, отново се отваря шлюзът 3 и държателят 4 се издърпва във входноизходната камера 1 на устройството. Шлюзът 3 се затваря. Входно-изходната камера 1 се изпълва с азот, люкът 17 се отваря и държателят 4 се изтегля, охлажда се до стайна температура в конвенционна камера със студен въздух, след което стъклените подложки се изваждат от държателя. При скорост на отлагане 5-10 A/s работния процес продължава 2 часа.

Получават се 32-48 бр. стъклени подложки с покритие с p-i-n структура, където “р” и “п” слоевете са с дебелина 20 nm, а “Г слоят е с дебелина 2000 nm.Съдържанието на кислород в отложените слоеве е по-малко от 3.10¹⁸ cm'³. Първоначалната деградация на получената структура е не по-голяма от 15%. Раман кристалност на отложените слоеве: 40-60%

Claims (5)

1, Устройство за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано химическо отлагане от газова фаза, по-специално, • 4 ·· «

4 4 4 *·

Патентни претенции за получаване на тънки микрокристални силициеви покрития, включващо работна камера 2, газова линия 11, свързана с газразпределителна кутия 12 и генератори на високочестотно електромагнитно поле 16, характеризиращо се с това, че работната камера 2 е свързана чрез шлюз 3 с входно-изходна камера 1, снабдена с люк 17, а камерите 1 и 2 са подвързани към отделни вакуумни системи, за нисък и дълбок вакуум, 9 и 10, в горната част работната камера 2 е свързана неподвижно газова линия 11, която от своя страна е свързана неподвижно с разположена извън камерата 2 газова разпределителна кутия 12, в долната част на работната камера 2 са изведени конектори 15, свързани към генератори на високочестотно електромагнитно поле 16, разположени извън камерата, а за да изпомпва газовете и поддържа постоянен поток през държателя по време на работа, работната камера 2 е свързана с процесна помпа 18, като в работен режим в камерата 2, преминавайки входно изходнака камера 1 и шлюза 3, се позиционира монтиран на колела държател 4, с форма на паралелепипед, състоящ се от 9 до 12 броя сектори 6, оформени от крайни неподвижно закрепени заземени електроди 5 и неподвижно закрепени междинни електроди 7, за вертикално поставяне на стъклени подложки, като в работен режим, газоразпределителната камера 8, разположена непоследствено над камерите 6 на държателя 4 е свързана с газовата линия 11 на работната камера 2, а разположените в държателя 4 електоди 5 и 7 са свързани към генераторите на високочестотно електромагнитно поле 16.

2. Метод за отлагане на тънки микрокристални слоеве, при използуване на плазмено-асистирано химическо отлагане от газова фаза, по-специално, за получаване на тънки микрокристални силициеви покрития, характеризиращ се с това, че отлагането се осъществява едновременно върху от 32 до 48 броя предварително нагрети до 200-230°С стъклени подложки, вертикално · ·» · « · · ·· разположени във формирани от електроди сектори, във вакуум камера при налягане 10’⁶ - 10’⁷ mbar, към която се подава високочестотно напрежение, а отлагането на микрокристалните силициеви покрития се провежда, като през вакуумната камера се пропускат плазмено активиращи се газови смеси, съдържащи р-легиращ газ, п-легиращ газ, газ, източник на силиций, и водород.

3. Метод, съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че като „р”легиращ газ се използува триметилбор.

4. Метод, съгласно претенция 1 и 2, характеризиращ се с това, че като „п”легиращ газ се използува фосфин.

5. Метод, съгласно претенции от 1 до 3, характеризиращ се с това, че като източник на силиций се използува силан.