CN102031503A

CN102031503A - 硅薄膜的沉积方法

Info

Publication number: CN102031503A
Application number: CN 201010503660
Authority: CN
Inventors: 陈金元; 马哲国; 董家伟
Original assignee: Ideal Energy Equipment Shanghai Ltd
Current assignee: Ideal Wanlihui Semiconductor Equipment Shanghai Co ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: CN102031503B

Abstract

一种硅薄膜的沉积方法，包括：将基板放置于反应腔室的下电极上；向反应腔室输入包括硅烷和氢气的反应气体，使反应腔室的气压为第一气压，所述第一气压大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar；向上电极加载第一功率的射频信号，产生辉光放电，在所述基板上形成硅薄膜。本发明可以减少起辉时粉尘的产生。

Description

硅薄膜的沉积方法

技术领域

本发明涉及薄膜太阳能电池领域，尤其涉及一种薄膜太阳能电池中硅薄膜的沉积方法。

背景技术

薄膜太阳能电池是在玻璃、金属或塑料等基板上沉积很薄(几微米至几十微米)的光电材料形成的一种太阳能电池。薄膜太阳能电池在弱光条件下仍可发电，其生产过程能耗低，具备大幅度降低原料和制造成本的潜力，因此，市场对薄膜太阳能电池的需求正逐渐增长，而薄膜太阳能电池技术更成为近年来的研究热点。

在公开号为CN101775591A的中国专利申请中公开了一种薄膜太阳能电池，参考图1，示出了所述专利申请中薄膜太阳能电池的结构示意图。所述薄膜太阳能电池依次包括：基板10、透明电极11、p型掺杂硅薄膜12、i层13(非掺杂或本征的硅薄膜)、n型掺杂硅薄膜14、以及背电极15和保护板16，其中p型掺杂硅薄膜12、i层13、n型掺杂硅薄膜14组成一个光电单元，现有技术中薄膜太阳能电池通常包括多个叠加的光电单元。

等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，PECVD)是最常用的制造光电单元中各层硅薄膜的方法。参考图2示出了现有技术PECVD装置的示意图。所述PECVD装置主要包括：反应腔室103、上电极101、电源104、下电极102和真空泵(图未示意)，其中上电极101和下电极102位于反应腔室103内，所述上电极101与电源104相连，所述下电极102接地，反应气体通过反应腔室103的进气口进入反应腔室103内，真空泵用于抽取反应腔室内的气体，以维持反应腔室的气压。

在PECVD沉积非晶硅薄膜或微晶硅薄膜的过程中，将基板置于下电极102上，向应腔室103中通入硅烷及氢气，电源104向上电极101通入射频信号以产生辉光放电并产生等离子体，从而在上电极101和下电极102之间形成等离子体区105，等离子体区105中的电子与硅烷反应产生活性基，所述活性基扩散至基板，吸附于所述基板上，形成非晶硅或微晶硅薄膜。

在公开号为CN101775591A的中国专利申请中，通过向上电极加载脉冲射频信号的方式，从而以较低的时间平均功率实现均匀、稳定的辉光放电。然而，所述中国专利申请的沉积硅薄膜的方法效率较低。

为了提高薄膜太阳能电池的制造效率本领域技术人员对上述硅薄膜沉积方案进行了改进，具体地说，向上电极加载脉冲式、高功率密度的射频信号，但是，高功率密度的射频信号会造成起辉瞬间粉尘的产生，从而严重影响硅薄膜的质量。

针对起辉瞬间易产生粉尘的问题，本领域技术人员发展了另一改进方案，通过对PECVD的设备进行改进以抑制粉尘的产生，但是这会增加设备的成本，同时还会降低设备的稼动时间，增加了设备的维护成本。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种硅薄膜的沉积方法，用于改善起辉瞬间易产生粉尘的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种硅薄膜的沉积方法，包括：将基板放置于反应腔室的下电极上；向反应腔室输入包括硅烷和氢气的反应气体，使反应腔室的气压为第一气压，所述第一气压大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar；向上电极加载第一功率的射频信号，产生辉光放电，在所述基板上形成硅薄膜。

较佳地，还包括，在产生辉光放电后向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率大于第一功率。

较佳地，向上电极加载第一功率的射频信号持续0.1～2秒之后向上电极加载第二功率的射频信号。

较佳地，所述第一功率的射频信号的功率密度为20～80毫瓦/平方厘米。

较佳地，所述第二功率的射频信号的功率密度为150～300毫瓦/平方厘米。

较佳地，所述第二功率的射频信号的功率密度为160～240毫瓦/平方厘米。

较佳地，还包括，在产生辉光放电后向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率等于第一功率；

较佳地，所述第二功率的射频信号的功率密度和第一功率的射频信号的功率密度均为20～80毫瓦/平方厘米；

较佳地，所述第二功率的射频信号的功率密度和第一功率的射频信号的功率密度均为150～300毫瓦/平方厘米。

较佳地，所述第二功率的射频信号的功率密度和第一功率的射频信号的功率密度均为160～240毫瓦/平方厘米。

较佳地，在起辉之后，升高反应腔室的气压至第二气压。

较佳地，在起辉之后0.1～2秒内，升高反应腔室的气压至第二气压。

较佳地，第二气压大于或等于2mbar且小于或等于6mbar。

较佳地，升高反应腔室的气压至第二气压后，向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率大于第一功率。

较佳地，升高反应腔室的气压至第二气压的同时，向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率大于第一功率。

较佳地，所述第一气压为0.5～1.9mbar。

较佳地，向反应腔室内通入硅烷和氢气的总流量为2～10标准升/分钟。

较佳地，向反应腔室输入硅烷和氢气的流量比小于或等于1∶49。

较佳地，所述硅薄膜为非晶硅薄膜或微晶硅薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.在起辉瞬间，反应腔室的气压大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar，可以减少反应腔室内硅烷的含量，从而降低射频信号使硅烷二次电离的几率，从而避免产生长链状、易聚合成大分子颗粒的的硅烷二次电离产生物，进而减少了粉尘的产生；

2.起辉之后，升高反应腔室内的气压至第二气压，增大了硅烷的浓度的含量，从而可以增加硅层的沉积速率，缩短硅薄膜的沉积时间；

3.起辉之后，向上电极加载具有较大功率的第二功率的射频信号，增强了等离子体的强度，因此，进而增加硅层的沉积速率；

4.向反应腔室输入硅烷和氢气的流量比小于或等于1∶49，可以增大氢气的含量，氢气可抑制硅烷的二次电离，进而避免粉尘的发生；

5.第一功率的射频信号的功率密度为20～80毫瓦/平方厘米，在低功率密度的条件起辉下，硅烷不会被二次电离，从而可以进一步避免发尘现象。

附图说明

图1是现有技术薄膜太阳能电池的结构示意图；

图2是现有技术PECVD装置的示意图；

图3是本发明硅薄膜的沉积方法一实施方式的流程示意图；

图4是本发明硅薄膜的沉积方法一实施例的电源射频信号输出功率曲线示意图；

图5是本发明硅薄膜的沉积方法一实施例的反应腔室内气压的曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多细节技术手段以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他等效的技术手段来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有技术中通过PECVD沉积硅薄膜，特别是沉积非晶硅或微晶硅时，等离子起辉瞬间容易产生粉尘。

针对上述问题，本发明提供一种硅薄膜的沉积方法，参考图3，示出了本发明硅薄膜的沉积方法一实施方式的流程示意图。所述沉积方法包括：

S1，将基板放置于反应腔室的下电极上；

S2，向反应腔室输入包括硅烷和氢气的反应气体，使反应腔室气压为第一气压，所述第一气压大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar；

S3，向上电极加载第一功率的射频信号，产生辉光放电，形成等离子体，开始在基板上形成硅薄膜。

与现有技术相比较，在上述硅薄膜的沉积方法中，在起辉瞬间，反应腔室的气压大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar，可以减少反应腔室内硅烷的含量，从而降低射频信号使硅烷二次电离的几率，从而避免产生长链状、易聚合成大分子颗粒的的硅烷二次电离产生物，进而减少了粉尘的产生。同时，在反应腔的气压为大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar的条件下，由于气压较低，上下电极之间更容易产生辉光放电，从而降低反应腔起辉失败的概率。

下面进一步详细描述上述各步骤。

对于步骤S1，将基板放置于下电极上；所述下电极接地，接地的下电极有利于吸引活性基向基板方向扩散，从而有利于活性基沉积于所述基板上形成硅薄膜。

对于步骤S2，所述包括硅烷和氢气的反应气体，可以是只包含硅烷和氢气的反应气体，还可以是除硅烷和氢气还包含氮气和其他气体的反应气体。反应腔室内的第一气压为大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar的低气压，这样可以减少反应腔室内单位体积的硅烷密度，即使上电极上加载的射频信号功率较高，也会降低射频信号使硅烷二次电离的几率，从而减少产生长链状、易聚合成大分子颗粒的的硅烷二次电离产生物，进而减少了粉尘的产生。

为了避免反应腔室内气压过低，影响到硅薄膜的沉积速率，较佳地，反应室内的第一气压为0.5～1.9mbar。

由于反应腔室内的气压与向反应腔室内通入反应气体的流量有关，具体地，向反应腔室内通入气体的总流量为2～10标准升/分钟，同时配合真空泵的抽气速率，使反应腔室内的第一气压为大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar的低气压。

较佳地，减小硅烷在反应气体中的比例，可以增大反应腔内单位体积内的氢气密度，氢气可抑制硅烷的二次电离，进而避免粉尘的发生，具体地，向反应腔室内通入硅烷和氢气流量的比例小于或等于1∶49，这样可以进一步降低硅烷二次电离的几率，进而避免了粉尘的产生。

对于步骤S3，向上电极施加第一功率的射频信号，射频信号使得上电极和下电极之间产生辉光放电，并形成等离子体。反应气体在等离子体的作用下反应并在基板上开始沉积硅薄膜，较佳地，为了避免在起辉瞬间产生较多粉尘，还可以向上电极加载第一功率较低的射频信号，每次加载射频信号的上电极的面积不变，第一功率的射频信号对应的第一功率密度为20～80毫瓦/平方厘米，在较低功率密度的工艺条件下，硅烷不会被二次电离，从而可以避免发尘现象。

请再次参看图1，为提高起辉后的硅薄膜的沉积速率，所述沉积方法进一步包括：S4，升高反应腔室内的气压至第二气压，所述第二气压大于或等于2mbar且小于或等于6mbar。

对于步骤S4，起辉时采用较低的气压条件，而起辉之后为了提高薄膜沉积速率，需升高反应腔室内的气压，具体地，起辉之后，升高反应腔室内的气压至大于或等于2mbar且小于或等于6mbar的第二气压，以增大反应腔室内单位体积的反应气体密度，进而增加气体沉积的速率，较佳地，在起辉后0.1～2秒内，升高反应腔室内的压力至第二气压，所述第二气压大于或等于2mbar且小于或等于6mbar。

请再次参看图1，为进一步提高起辉后的硅薄膜的沉积速率，所述沉积方法还进一步包括：

S5，向上电极加载第二功率的射频信号。

对于步骤S5，由于在低功率下沉积硅薄膜时，会使硅薄膜的沉积速率较低，较佳地，使第二功率大于第一功率，由于每次加载射频信号的上电极的面积不变，相应地，第二功率的射频信号的功率密度大于第一功率的射频信号的功率密度，例如第二功率的射频信号的功率密度为150～300毫瓦/平方厘米，第一功率的射频信号的功率密度为20～80毫瓦/平方厘米，这样在低功率密度下起辉可以避免起辉瞬间的发尘现象，同时采用较高的功率密度沉积硅薄膜，又可以保证硅薄膜的沉积速率，从而同时提高了硅薄膜制作的质量和产量。优选地，所述第二功率的射频信号的功率密度为160～240毫瓦/平方厘米。

此外，由于粉尘主要在起辉瞬间产生，在向上电极加载第一功率的射频信号后，上电极和下电极之间就能起辉，并形成辉光放电，之后即可向上电极加载第二功率的射频信号，以进行硅薄膜沉积。因此，通常，在向上电极加载第一功率的射频信号的时间为0.1～2秒，之后向上电极加载第二功率的射频信号。具体地，通过在电源中设定射频信号的输出功率方式来实现上述技术方案。

需要说明的是，如果对薄膜沉积速率要求不高，所述第二功率可以等于第一功率，即第二功率和第一功率均为低功率，例如第二功率的射频信号的第二功率密度等于第一功率的射频信号的第一功率密度，均为20～80毫瓦/平方厘米。这样可以减少起辉瞬间产生的粉尘；第二功率的射频信号的第二功率密度等于第一功率的射频信号的第一功率密度，还可以均为150～300毫瓦/平方厘米范围内的高功率密度，优选地，为160～240毫瓦/平方厘米。因为起辉时采用低气压即可减少粉尘的发生，采用高功率密度可保证较高的薄膜沉积速率。而第二功率的射频信号的第二功率密度等于第一功率的射频信号的第一功率密度的实施方式中，电源在起辉阶段和薄膜沉积阶段输出相同功率密度的射频信号即可，电源的功率输出方式也更为简单。

下面结合一具体实施例详细说明本发明的技术方案。

本发明硅薄膜的沉积方法一实施例包括以下步骤：

在反应腔室内的下电极上放置一大面积的玻璃基板；

通过反应腔室的进气口，向反应腔室内通入硅烷和氢气，所述硅烷和氢气流量比例为1∶49，所述硅烷和氢气的混合气体的流量为10标准升/分钟，通过真空泵维持反应腔室内的气压为1.9mbar；

通过电源向上电极加载射频信号，参考图4，示出了本发明硅薄膜的沉积方法一实施例的电源射频信号输出功率曲线示意图，电源先向上电极加载64毫瓦/平方厘米的射频信号，使反应腔内产生起辉现象，在反应腔室内形成位于上、下电极之间的等离子，反应气体在等离子体的作用下开始在玻璃基板上形成硅薄膜；

在加载功率密度为64毫瓦/平方厘米的射频信号持续1秒钟之后，电源向上电极加载功率密度为160毫瓦/平方厘米的射频信号，同时，升高反应腔室内的气压至3mbar(如图5所示)，以沉积硅薄膜。

综上，本发明提供一种硅薄膜的沉积方法，在PECVD沉积硅薄膜时，采用低气压的工艺条件进行起辉，避免了起辉时易产生粉尘的问题；

此外，还降低了起辉时反应气体中硅烷的比例，通过氢气的抑制作用可以进一步减少发尘现象；

更进一步的，向反应腔室先提供较低功率密度的射频信号进行起辉，然后再提供较高功率密度的射频信号进行薄膜沉积，可以避免起辉瞬间的发尘现象的同时保证硅薄膜的沉积速率；

本发明硅薄膜的沉积方法，无需对硅薄膜沉积的装置进行改进就可以避免起辉时易产生粉尘的问题，从而不会增加设备的成本，也不会降低设备的稼动时间。

本发明并不限于上述实施方式，如：在上述实施方式中，所述步骤S5和步骤S4的顺序也可以互换，则，在步骤S3，向上电极加载第一功率的射频信号，产生辉光放电，形成等离子体，开始在基板上形成硅薄膜。之后，可以先向上电极加载第二功率的射频信号，再升高反应腔室内的气压至大于或等于2mbar且小于或等于6mbar的第二气压。也可以使步骤S4和步骤S5同时进行，则，在步骤S3之后，提高反应腔室内的气压至大于或等于2mbar且小于或等于6mbar的第二气压，同时，向上电极加载第二功率的射频信号。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种硅薄膜的沉积方法，包括：

将基板放置于反应腔室的下电极上；

向反应腔室输入包括硅烷和氢气的反应气体，使反应腔室的气压为第一气压，所述第一气压大于或等于0.3mbar且小于或等于1.9mbar；

向上电极加载第一功率的射频信号，产生辉光放电，在所述基板上形成硅薄膜。

2.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，还包括，在产生辉光放电后向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率大于第一功率。

3.如权利要求2所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，向上电极加载第一功率的射频信号持续0.1～2秒之后向上电极加载第二功率的射频信号。

4.如权利要求2所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述第一功率的射频信号的功率密度为20～80毫瓦/平方厘米。

5.如权利要求2所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述第二功率的射频信号的功率密度为150～300毫瓦/平方厘米。

6.如权利要求2所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述第二功率的射频信号的功率密度为160～240毫瓦/平方厘米。

7.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，还包括，在产生辉光放电后向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率等于第一功率。

8.如权利要求7所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述第二功率的射频信号的功率密度和第一功率的射频信号的功率密度均为20～80毫瓦/平方厘米。

9.如权利要求7所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述第二功率的射频信号的功率密度和第一功率的射频信号的功率密度均为150～300毫瓦/平方厘米。

10.如权利要求7所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述第二功率的射频信号的功率密度和第一功率的射频信号的功率密度均为160～240毫瓦/平方厘米。

11.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，在产生辉光放电之后，升高反应腔室的气压至第二气压。

12.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，在产生辉光放电之后0.1～2秒内，升高反应腔室的气压至第二气压。

13.如权利要求11或12中任一项所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，第二气压大于或等于2mbar且小于或等于6mbar。

14.如权利要求11或12中任一项所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，升高反应腔室的气压至第二气压后，向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率大于第一功率。

15.权利要求11或12中任一项所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，升高反应腔室的气压至第二气压的同时，向上电极加载第二功率的射频信号，所述第二功率大于第一功率。

16.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述第一气压为0.5～1.9mbar。

17.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，向反应腔室内通入硅烷和氢气的总流量为2～10标准升/分钟。

18.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，向反应腔室输入硅烷和氢气的流量比小于或等于1∶49。

19.如权利要求1所述的硅薄膜的沉积方法，其特征在于，所述硅薄膜为非晶硅薄膜或微晶硅薄膜。