CN101235488A - 在放置于射频等离子体之外的衬底上形成薄膜的技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种完全新颖的薄膜沉积的方法，特别是一个方法采用具有三个平行电极的RF－PECVD系统的镀膜方法。此方法将基板放置于通常盛有基板的等离子体区域之外。在两个平行的用于产生等离子体的电极板上事先镀有硅材料，该材料在具有蚀刻性的等离子体激发下从电极上被剥离掉，并以扩散的方式透过网状的正电极而达到并沉积在置于正电极后面的基板上。这种镀膜方式的优点包括它不依赖于外界提供的硅原材料，从而达到良好的大面积镀膜的均匀性，而且即使在使用大功率，从而得到很高的增长速率时，薄膜的性能也不会受到具有很强轰击性的等离子体的影响。

Description

在放置于射频等离子体之外的衬底上形成薄膜的技术

技术领域

本发明是描述一种具有大面积、高速率沉积硅薄膜的真空镀膜的装置和方法。特别是涉及到一种将基板放置于等离子体之外的依靠等离子体蚀刻效应而形成薄膜的技术。

背景技术

太阳能是目前急需的一种能量来源，属高科技领域范围内。高性能大面积的基于薄膜硅的电子或光电产品，通常是使用标准的采用两个平行电极的射频等离子体增强化学气相沉积法而制成。在这种方式中被用来镀膜的基板通常是被放在接地的正电极上，从而使得基板镀膜的表面直接暴露于等离子体下，所以在高速率沉积时需要高功率的等离子体激发状态下所镀的硅薄膜由于高能量离子的不断轰击而出现质量下降的问题。同时在大面积镀膜时传统RF-PECVD需要源源不断向反应室中提供含有硅的原气体，而在大型反应室中原气体的分布很难达到理想的均匀度，使得在高速镀膜时，膜的厚度和其他性能的非均匀性变得十分明显。现在工业上所使用的大型PECVD设备，虽然可以解决上述问题，但这类设备的高度复杂性和昂贵的成本使得它们不适用于生产低成本的薄膜材料和器件。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的：本发明提供了一种在高速率沉积状态下具有良好的在大面积上的均匀性的硅薄膜沉积设备和方法。

本发明进一步目的是，利用向基板上施加电势的方法，有效的控制高速率沉积的硅薄膜的性能。

为了达到上述发明目的，本发明采用一个由三个平行电极构成的对通常的RF-PECVD系统加以改变的镀膜系统，这三个平行的平板状电极分别为用来激发等离子体的负电极，与负电极相对的网状或有很多孔洞的接地正电极，及放置于正电极后面的载有基板的第三电极。在正电极和负电极相对的表面上预先镀有硅材料，其均匀性及其他性能无关紧要。在镀膜过程中具有蚀刻性的气体混合物被引入反应室内，在界于正负电极之间的等离子体作用下，正负电极表面的硅材料被蚀刻而分离成为气态基子，并以扩散的方式穿过网状正电极，达到第三电极表面最终导致硅薄膜在基板上的形成。其原因是蚀刻气体被激发后的平均扩散程度远远小于气态硅基子，所以在基板表面的蚀刻强度相比于等离子体区域要微弱得多。值得强调的是本发明所使用的薄膜硅沉积方法完全不需要在镀膜时提供含有硅的气体材料，而硅的来源可以完全由已镀在正负电极上的硅层来提供，这与通常的CVD镀膜方式(包括PECVD)具有极大的区别。在这个系统中产生镀膜前期材料的等离子区域与薄膜生长区域相分离，从而使生长的薄膜不直接受到等离子体过程的影响。并且依据本发明的设计，等离子体辉光放电的强度可以大大的提高，从而达到提高镀膜速率的目的，因为所使用的基板被放置于辉光放电区域之外，从而避免镀膜表面被高能量离子不断冲击而造成的损坏。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1显示利用蚀刻方法镀膜的三级射频辉光放电系统。

图2显示第三级电势可变化的利用蚀刻方法镀膜的三级射频辉光放电系统。

具体实施方式

参照图1，本发明提供的镀膜装置，由放置于真空箱内的三个平行电极板构成，三个电极板分别是负电极88(射频电极)，正电极77，和第三电极也就是基板电极3。其中正电极是由网状或带有许多孔的金属板构成，这些孔76完全穿透电极板77，且具有足够高的密度，使得界于负电极88和正电极77之间的气状物质可以比较自如的穿过正电极而达到第三电极3的表面。在镀膜之前负正电极和负电极相对的表面都已经镀有硅材料9，这种硅材料的厚度、均匀性和其他性质都无关紧要，唯一的要求是该硅材料的纯度要达到所需的要求。在镀膜过程中具有蚀刻性能的气体被引入真空室内，这类气体包括氢气，第七类元素的气体(氟和氯等等，或它们的混合物)。室内的气压维持在大气压的1/2000到2/100之间，这时在负电极上施加一个射频电能89，使得正负电极之间31产生并维持等离子体状态，也就是射频辉光放电。负电极上的硅层9和正电极上的硅材料99被等离子体蚀刻而形成气状的硅基子，与两个平行电极的射频辉光放电过程不同的是，这些硅基子可以穿过正电极上的孔洞76而达到并沉积在第三电极的表面，从而形成硅薄膜8。由于基板被放置于等离子体区域之外，所以等离子体的强度可以被极大的提高，而不会使薄膜沉积表面受到高能量离子的轰击，而影响沉积于基板上的硅薄膜的性能。也就是说在极强的等离子体激发下正负电极上的硅材料可以被很快的蚀刻、剥离，从而提供高密度的薄膜前期物质，而大大提高镀膜的速率。第三电极可以接地也可以具有悬浮电势，也就是说完全绝缘的材料同导电材料一样可以被用做基板。虽然所提供的气体不含有带硅的物质，但是在正负极上的硅材料被具有腐蚀性的等离子体不断剥落，而被源源提供到基板附近，达到镀膜的效果。只要正负电极之间的等离子体电场足够均匀，则被蚀刻而产生的硅基子的浓度也会足够均匀，从而达到即使在高速率下也可以在大面积上得到均匀的硅薄膜的效果。而这种均匀性完全不依赖于像镀膜真空室中提供气体的分布均匀性，而在传统的镀膜系统中硅薄膜的均匀性在很大程度上取决于含有硅物质的原气体的分布状态。

图2显示了本发明的另一种实施方法，其工作原理与图1的系统相似，其区别是在孔状正电极77和装有基板的第三电极3之间加上了一个可调的直流电压83(偏压)。在镀膜过程中，射频电力89被施加于负电极88之上，从而导致负电极与接地正电极之间的区域31形成等离子体，并使得蚀刻气体将镀在负电极上的硅材料9和镀在正电极上的硅材料99被蚀刻、剥离而形成气态基子，其后这些硅基子穿过正电极上的孔洞76，扩散向第三电极并沉积在第三电极也就是基板之上，形成硅薄膜8。该薄膜的性质及生长速率可以通过对施加在基板上的可调电势83的调节而使其发生改变。由于第三电极也就是基板的电势必须可以由外界施加的电压而得到控制，所以在这种实施过程中所选用的基板必须具有足够的导电性，或至少其表面具有与可调电势83直接相连的导电膜。

本发明提出的使用三个电极的蚀刻所导致的硅薄膜沉积的设备和技术手段，独创性强，简单易行，对于大规模提高基于硅薄膜的光电器件的生产效率具有十分重大的意义。

Claims (3)

1. 一个依赖于等离子体蚀刻效应的薄膜沉积装置，其特征在于：是三个电极构成的射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)镀膜系统，其所述电极分别为表面上镀有硅材料的负电极，表面上镀有硅材料的网状或有高密度窟窿的正电极，及放置于所述正电极后面的载有基板的第三电极。所述的正电极具有足够的穿透性，从而使得产生于所述正电极和所述负电极之间的硅类镀膜前期物质可以达到第三电极的表面。该系统在向基板镀膜时不需要外界提供含硅的原材料。

2. 根据权利要求1所述的依赖于等离子体蚀刻效应的薄膜沉积装置而进行硅薄膜沉积的方法，其特征由下列步骤显示：

a)在所述的正电极和所述的负电极表面镀上硅材料，包括非晶硅，微晶硅，和它们的合金；

b)在所述的第三电极面向所述网状正电极的一面放置被用来镀膜的基板；

c)在PECVD反应室注入被等离子体激发后对硅具有蚀刻性的气体混合物，包括氢气、含氟或含氯的气体，或上述气体的混合物；

d)向负电极上施加射频电力(RF电力)，使得所述负电极和所述正电极之间产生并维持等离子体状态，并将指电极上的硅材料蚀刻、剥离，这些活性的含硅的基子与扩散的方式穿过透射性的正电极，达到并沉积在置于所述第三电极上的基板表面；

e)所述的沉积于基板上的硅薄膜的性质，可以通过施加于所述的正电极和所述的第三电极之间的直流电压而改变。

3. 根据权利要求2所述的一个依赖于等离子体蚀刻效应的薄膜沉积方法，其特征在于：使用的所述基板为镀有透明导电膜的玻璃片。

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