CN101481793A - 一种大面积微波等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大面积微波等离子体化学气相沉积装置，尤其涉及用该薄膜制备设备在基底上快速沉积非晶硅和微晶硅薄膜等，用于太阳电池和平板显示等领域。本装置包括一微波源，一渐变波导管，以及一矩形波导管，所述的渐变波导管连接所述的微波源和所述的矩形波导管，一上端由石英玻璃板密封的一主腔体位于矩形波导管下方，在与矩形波导管和石英玻璃板之间带有一微波馈入窗口与它们相互贴合，至少一布气管通入主腔体内，主腔体内具有一用来装载基底的载物装置，所述矩形波导管与所述基底对应放置，以及一连接主腔体的真空系统。通过采用波导管并排分布的方式产生大面积内均匀的等离子体，本发明的装置能实现在大面积膜沉积的均匀性。

Description

一种大面积微波等离子体化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及微波等离子体化学气相沉积装置，特别涉及一种大面积微波等离子体化学气相沉积装置。

背景技术

化学气相沉积是通过气态前驱物之间的化学反应在基底上沉积膜的工艺，在工业界应用十分广泛。化学气相沉积过程中，气态前驱物在腔室中发生反应，并在基底上长膜，除构成膜的物质为固态外，其他的生成物必须都为气态，以被气流带走，为了形成良好的结合力，膜和基底物质的蒸气压必需足够低，否则易形成致密度低的膜。典型的化学气相沉积实现过程是将基底暴露在一种或者多种不同的前驱物(气态物质)下，在基底表面发生化学反应产生需要沉积的薄膜，化学反应产生的气态副产品被气流带走。气态前驱物质和基底表面需要具有足够的活性，在基底表面发生的化学反应才能进行，为此可以使用加热的办法，使基底表面的化学成膜反应在较高温度下进行。然而有些基底如玻璃和塑料等不能承受太高的温度，在这些基底表面镀膜必须在较低温度下进行，为了在这些基底上镀膜，可以在基底所在的区域产生等离子体以提高气态前驱物质和基底表面的活性，使得发生在基底表面的化学成膜反应能在较低温度下进行，这种工艺通常被称为等离子体增强(或辅助)化学气相沉积。

等离子体又叫做离化气体或电浆，由带负电的自由电子，带正电的离子，以及未离化的原子或/和分子组成。等离子体增强化学气相沉积中，等离子体的出现改变了基底表面的性质和气体的活性，使得沉积薄膜可以在较低温度下实现。硅薄膜太阳电池和薄膜晶体管液晶显示器等领域需在较低温度下在大面积基底上沉积非晶硅和微晶硅薄膜，工业上通常使用射频(如13.56MHz)或者甚高频(如27.12MHz或40.68MHz等)放电技术产生等离子体，利用硅烷和氢气的混和物作为前驱气体制备本征非晶硅或微晶硅膜，在混和气体中加入含磷或硼的气源实现硅膜的改性掺杂。然而，用这些技术沉积非晶硅或微晶硅薄膜时，沉积速度通常只有极为影响生产效率。依照等离子体增强化学气相沉积硅薄膜的生长速率经验公式 $\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}=\left[{\mathrm{SiH}}_4\right]{\mathrm{\σ\ν}}_{\mathrm{th}}{N}_e$ 知，硅膜生长速率由硅烷分子的浓度[SiH₄]，阈值能量以上电子受硅烷分子散射的截面σ，阈值能量以上电子的速度v_th，以及阈值能量以上电子的密度N_e决定。从经验公式可以看出，为了提高硅膜的沉积速度，可增加硅烷分子的浓度或提高等离子体中阈值能量以上自由电子的密度。然而，用射频(如13.56MHz)和甚高频(如27.12MHz或40.68MHz等)等离子体增强化学气相沉积制备硅膜时，增加硅烷分子的浓度会导致所沉积硅膜的质量恶化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服射频或甚高频等离子体增强化学气相沉积制备硅膜时，增加硅烷分子的浓度会导致所沉积硅膜的质量恶化的问题。

为了解决上述技术问题，本发明利用提高等离子体中阈值能量以上自由电子密度的方法，提供了一种大面积微波等离子体化学气相沉积装置，包括一微波源，一渐变波导管，以及至少一矩形波导管，所述的微波源、渐变波导管、矩形波导管依次连接，一上端由石英玻璃板密封的一主腔体位于矩形波导管下方，矩形波导管具有一带有微波馈入孔的微波馈入窗口，所述微波馈入窗口与石英玻璃板贴合，至少一布气管通入主腔体内，主腔体内具有一用来装载基底的载物装置，所述矩形波导管与所述基底对应放置，以及一连接主腔体的真空系统。

通过上述技术手段，本发明的大面积微波等离子体化学气相沉积装置能达到以下效果：

(1)、能形成大面积范围内均匀稳定的微波等离子体；

(2)、可根据功率等参数调节微波发射面；

(3)、基底表面和石英玻璃板之间的距离可调节；

(4)、相对射频放电技术，本发明使用的微波放电技术产生的等离子体具有等离子体的存在空间大，自由电子密度高，且无电极污染等特点，在光伏行业和半导体行业的薄膜制备领域具有很高的利用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明微波等离子体化学气相沉积装置的结构示意图；

图2是本发明微波等离子体化学气相沉积装置微波馈入部分的结构示意图；

图3是本发明微波等离子体化学气相沉积装置将多个波导管并行排列提供微波能量以产生大面积范围内均匀稳定的微波等离子体的结构示意图；

图4是本发明微波等离子体化学气相沉积装置微波馈入部件的示意图；

图5是本发明微波等离子体化学气相沉积装置的一些可行的微波馈入窗口的示意图；

图6是本发明微波等离子体化学气相沉积装置的载物装置的示意图；

图7是本发明微波等离子体化学气相沉积装置一具体实施例的结构示意图。

图中附图标记为：

101、微波源；      102、渐变波导管；    103、矩形波导管；

104、石英玻璃板；  105、馈入窗口；      106、布气管；

107、主腔体；      108、基底；          109、载物装置；

110、高度调节装置；111、高度调节电机；  112、观察窗；

113、主腔室；     301、沉积膜；  402、挡板；

403、微波馈入孔； 601、卡口；    602、基座；

603、滚轮

具体实施方式

下面给出本发明的较佳实施例，并结合附图予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本申请的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，是使用提高等离子体中阈值能量以上自由电子密度的方法，利用微波放电技术激发产生等离子体。

如图1并结合图2所示，为该微波等离子体化学气相沉积装置的结构示意图，包括一微波源101，位置可以根据实际情况调节；一渐变波导管102，以及一矩形波导管103，该微波源101、该渐变波导管102、该矩形波导管103依次连接，通过渐变波导管102以及矩形波导管103将微波有效导入主腔室113，将微波有效导入主腔室113的矩形波导管103并排分布，并排分布的目的在于激发大面积范围内均匀的等离子体，实现大面积膜沉积的均匀性；矩形波导管103和主腔室113之间使用石英玻璃板104隔开，矩形波导管103中的微波可以透过石英玻璃板104馈入主腔室113，石英玻璃板104还可以保证主腔室113的密封性能；该石英玻璃板104的上端紧贴矩形波导管103的馈入窗口105，该馈入窗口可根据不同的微波功率和所需等离子体的不同进行更换；所述的石英玻璃板104可以是整体的大面积石英玻璃板104，也可以由多块石英玻璃板104拼接起来；一上端由石英玻璃板104密封的一主腔体107同石英玻璃板104一同限定该主腔室113，腔体107的形状可以是多种形状，本申请中以矩形截面为例来说明；至少一布气管106通入主腔体107内，布气管106将参与成膜反应的气态前驱物导入主腔室113，微波激发这些气态前驱物质形成等离子体并在基底108上生长成膜；主腔体107内具有一用来装载基底108的载物装置109，需要沉积膜301的基底108可以固定在载物装置109上，基底108上需要沉积膜301的表面正对着将微波馈入主腔室113的石英玻璃板104，也可在基底108上装上滑轮，在沉积薄膜时可实现基片的移动；固定在载物装置109上的基底108的表面和石英玻璃板104之间的距离可以通过高度调节装置110进行调节；以及一连接主腔体107的真空系统，该装置的真空系统包括真空抽气系统，破真空系统，真空测量系统，以及相应的控制系统，图1中的结构示意图没有画出该微波等离子体化学气相沉积装置的真空系统，此真空系统为常规装置，在本专利中不作详细说明。

图3为本申请的装置将多个矩形波导管103并行排列提供微波能量以产生大面积范围内均匀稳定的微波等离子体的结构。在微波在矩形波导管103的传播方向上的腔体107内可产生均匀而稳定的微波等离子体区域，多个矩形波导管103共同将微波能量馈入主腔室113，使得微波在宽度方向上(与基底108平行的面上)的能量均匀分布，产生均匀稳定的微波等离子体，最终得到均匀的薄膜沉积。

所述矩形波导管103附于石英玻璃上方，该波导管有一可更换的开有微波馈入孔403的馈入窗口105，该馈入窗口为铜板，该馈入窗口的长度随主腔体107的宽度而定，该馈入窗口的宽度随不同微波频率对应的波导管的型号而定。

图5示出了一些可行的微波馈入窗口的示意图，可以通过调节挡板402上微波馈入孔403的形状和分布，对微波馈入方式进行有效调控，使得激发产生的微波等离子体分布更为均匀。这里给出了四种可行的微波馈入窗口示意图，分别为平行四边形、椭圆形、三角形以及长矩形。馈入孔的形状可任意改变，而不局限于以上提出的这几种，具体设备采用的形状要根据软件模拟和实际试验得数据决定。以上提出的几种形状仅是举例说明。

图6为载物装置109的示意图，可以使用卡口601将基底108通过固定在基座602上，利用这种载物方式时基底108可以直立放置，镀膜面朝上放置，或镀膜面朝下放置；也可使用滚轮603将基底108传送到基座602上。

实施例1

图7为本发明薄膜制备装置的一实施例的结构示意图，微波源101产生的微波通过渐变波导管102有效地导入并排矩形波导管103中，渐变波导管又叫波导喇叭，可将微波从微波发生器以较小的失配损耗耦合到波导管中。并排矩形波导管103通过可更换式微波馈入窗口和石英玻璃板104将微波馈入主腔室113，在主腔体107内激发由布气管106通入的前驱气体产生等离子体，在基底108上沉积薄膜。并排分布波导管的目的在于激发大面积范围内均匀的等离子体，实现大面积膜沉积的均匀性。

并排矩形波导管103通过可更换式微波馈入窗口和石英玻璃板104将微波馈入主腔室113，在主腔体107内激发由布气管106通入的前驱气体产生等离子体，在基底108上沉积薄膜。并排分布矩形波导管103的目的在于激发大面积范围内均匀的等离子体，实现大面积膜沉积的均匀性。

石英玻璃板104还将矩形波导管103和主腔室113隔离开来，保证主腔室113的密封性能。馈入窗口105紧贴在石英玻璃板104上方，该微波馈入窗口可根据不同的微波功率和所需等离子体的不同进行更换。

基底108及其相对应的矩形波导管103、布气管106结构的放置角度可以进行调节，水平放置，如图中所示，或竖直放置，或倾斜放置，或倒置等。主腔室113的形状也可以为多种，如圆柱体结构或长方体结构等。本实施例仅列举基底镀膜面朝上水平放置的示意图，并用滚轮603将基底传送到基座602上。

本实施例利用波纹管密封结构作为高度调节装置110对腔室中的基座的高度进行调节。高度调节装置是可选项，如果装置采用了并排布波导管的结构，没有高度调节装置，则也在本专利的权利要求范围之内。高度调节装置是在并排波导管结构实现大面积沉积的权利要求上的一个附加要求。

另外，还可以将一个微波源连接多个矩形波导管进行微波传导，只需在渐变波导管和所述的矩形波导管之间连接一带有一个进口和多个出口的波导管T形接头，进口与渐变波导管的出口连接，出口分别连接一矩形波导管即可。本实施例仅用一个微波源驱动一个主腔室，也可以由一个微波源驱动多个主腔室，微波源及主腔室及其间的渐变波导管和矩形波导管的数量均可根据需要进行选择。

本实施例还包括真空系统以及若干控制和传动系统等。

本申请的大面积微波等离子体化学气相沉积装置通过微波放电技术产生等离子体，等离子体的维持能量是由微波提供，微波能量透过石英窗口激发气体形成等离子体。

本申请可应用于在基底上快速沉积非晶硅和微晶硅薄膜等，用于太阳电池和平板显示等领域。该装置具有大面积的微波发射、能激发产生大面积微波等离子体、可根据功率等参数调节微波发射面、基底表面和石英玻璃板之间的距离可调节等特点。

Claims (10)

1.一种大面积微波等离子体化学气相沉积装置，包括一微波源，一渐变波导管，以及至少一矩形波导管，所述的微波源、渐变波导管、矩形波导管依次连接，一上端由石英玻璃板密封的一主腔体位于矩形波导管下方，矩形波导管具有一带有微波馈入孔的微波馈入窗口，所述微波馈入窗口与石英玻璃板贴合，至少一布气管通入主腔体内，主腔体内具有一用来装载基底的载物装置，所述矩形波导管与所述基底对应放置，以及一连接主腔体的真空系统。

2.根据权利要求1所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，在载物装置下端还包括一高度调节装置用来调节所述载物装置的高度。

3.根据权利要求1所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述矩形波导管至少为两个，且并排分布，波导管之间的距离可以根据功率和长度进行调节。

4.根据权利要求1所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的主腔体上还具有一个观察窗。

5.根据权利要求1所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述石英玻璃板可以为整块的形式也可为多块拼接的形式。

6.根据权利要求1所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的载物装置使用卡口将基底固定，或使用滚轮将基底传送到载物装置上。

7.根据权利要求2所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的高度调节装置采用波纹管密封的结构。

8.根据权利要求1所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的微波馈入窗口为可更换式，其上具有多个微波馈入孔。

9.根据权利要求9所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述微波馈入孔的形状为矩形、平行四边形、椭圆形或三角形。

10.根据权利要求3所述的大面积微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，在所述的渐变波导管和所述的矩形波导管之间连接一带有一个进口和多个出口的波导管T形接头，所述的进口与渐变波导管的出口连接，所述的多个出口分别连接一矩形波导管。

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