CN104694906B - 一种非平行板式电容耦合等离子体化学气相沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜沉积方法，特别是非平行板式电容耦合等离子体化学气相沉积方法，包括平面矩形螺旋状电感天线、低频电源发生器、阻抗匹配网络、柱状真空室、石英玻璃和衬底支架。本发明通过控制射频输入功率以及调谐匹配电容，实现了在真空室内的电容耦合稳定放电：等离子体密度较低，并且线圈两端的电位差建立的与衬底表面平行的径向静电场起主导作用，使得正离子的运动被约束在与衬底表面平行的方向。所以本发明从两方面即降低等离子体密度和约束正离子运动方向着手，可显著抑制化学气相沉积过程中正离子对薄膜表面的轰击，降低表面损伤。此系统可用于制备高效晶硅太阳能电池中必需的各种钝化层，如非晶硅和非晶氮化硅等。

Description

一种非平行板式电容耦合等离子体化学气相沉积方法

技术领域

本发明涉及一种基于等离子体化学气相沉积的薄膜沉积方法，属于等离子体化学气相沉积方法技术领域，可应用于高效晶硅太阳能电池的各种钝化薄层包括非晶硅、非晶氮化硅、非晶二氧化硅以及非晶碳化硅等的制备。

背景技术

等离子体是由许多做随机运动的自由带电粒子组成的一个集合。在宏观上看来，等离子体成电中性。其最简单的形成方法是通过射频电压源驱动两极板，使得在极板间的低压气体产生放电现象，当电流从一个极板流向另一个极板时，气体被“击穿”而产生等离子体。等离子体放电可以产生具有化学活性的物质，因此可以制造出一些具有独特性质的材料，如金刚石薄膜、太阳能电池中使用的非晶硅、微晶硅和氮化硅、新型单层二维材料如石墨烯等；等离子体还可以被用来处理材料表面，目前被广泛应用于电子工业中超大规模集成电路的生产、航空航天、汽车制造、生物医学、钢铁冶炼和有害废弃物处理等方面。

等离子体辅助化学气相沉积技术对于当今工业晶硅太阳能电池和高效异质结太阳能电池(HIT)起着极其重要的作用。在工业晶硅太阳能电池生产线中，由平行板式电容耦合等离子体化学气相沉积(PECVD)或者微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)制备的非晶氮化硅薄膜起着表面钝化和光学减反的作用；在高效HIT太阳能电池中，由PECVD或者ICPCVD制备的非晶硅薄膜起着表面钝化和构成异质结的作用。其中，PECVD是一种适合大规模生产的低温沉积技术，有利于降低成本，但其存在着自身的不足，主要表现在等离子体的不稳定性和等离子体对晶体硅表面的损伤。与PECVD相比，ICPCVD和MWPCVD的等离子体密度高的多，因此气体利用率较高，可实现较高的沉积速率。但是，过高的等离子体密度很容易对衬底表面产生过度损伤，导致所制备的薄膜缺陷过高，严重影响器件的效率。

对于PECVD和ICPCVD，电(磁)场驱动的等离子体都由高能电子(1～20eV)、正离子、活性和非活性分子组成，其中正离子不可避免会轰击衬底造成衬底损伤以及薄膜缺陷。图1(a)和图1(b)是两种等离子体沉积技术的示意图。如图1(a)所示，PECVD的交变电场垂直于衬底表面，因此只有提高等离子体的发生频率才能显著降低离子轰击效应，这也是为什么通常只有高频或甚高频PECVD才能制备出低损伤、高质量的非晶硅薄膜。但是，频率越高，等离子体分布越不均匀，会导致衬底表面的成膜均匀性变差。如图1(b)所示，ICPCVD中等离子体工作于感性放电模式，不仅电子密度极高(10¹²-10¹³cm^-3)，而且相应的正离子密度也非常高，正离子在电磁场作用下可向不同方向运动，靠近等离子体壳层的正离子会在壳层电场的加速下轰击衬底表面，从而对衬底造成过度损伤。

因此，开发出一种等离子体密度较低，对材料表面损伤较小的温和的等离子体沉积技术具有巨大的应用前景和经济价值。

发明内容

技术问题：本发明提出一种基于等离子体化学气相沉积的新型薄膜沉积技术，以解决传统等离子体沉积技术(PECVD和ICPCVD)中存在的由于等离子体轰击衬底表面而造成的衬底损伤或者薄膜缺陷等问题。

技术方案：本发明涉及一种非平行板式电容耦合等离子体化学气相沉积方法，其系统构成以及基本原理图如图2所示。其中图2(a)展示的是系统构成，该装置主要由六部分组成，包括射频发生器21、匹配网络22、平面电感线圈23、柱状不锈钢真空室24、石英玻璃25和衬底支架26。射频发生器采用0.5MHZ的低频交流电源；匹配网络由串联电容(调谐)和并联电容(匹配)构成；电感线圈采用平面矩形螺旋状线圈，由直径为6.35mm的铜管缠绕而成，裸露于真空室外，内部通有冷却水以降低工作状态下线圈的温度；柱状不锈钢真空室本底真空可高达1×10^-4Pa，可通入硅烷、氢气等气体；石英玻璃厚度约为2厘米；衬底支架可加热可旋转。图2(b)是平面矩形螺旋状线圈的俯视图。平面螺线圈和真空室顶部的石英玻璃的距离为3mm左右。在工作状态下，低频射频源(500kHz)通过一个电容匹配网络来驱动平面螺线圈，如图2(a)所示。

图2(c)是非平行板式电容耦合等离子体系统的能量运输机制的等效电路图，主要由三个部分组成，分别是射频发生器、匹配网络和等离子体负载。其中V_o是射频发生器的开路电压，R_o是射频发生器的内阻。C₁和C₂是匹配网络中的可调电容，通过调谐他们可以使放电系统达到匹配。C_d和C_p是等离子体工作于容性放电模式下的两个等效电容，L_c和R_c分别是平行螺线圈的电感和电阻，L_p和R_p分别是等离子体的等效电容和等离子体的等效电阻。因此负载总电容为L＝L_c-L_p，总电阻为R＝R_c+R_p。射频电源的能量通过电容和电感耦合的方式，从平面螺旋状线圈转移到等离子体中。

有益效果：本发明所涉及的温和等离子体沉积技术，在非平行板式电容耦合等离子体放电过程中，较低的射频输入功率导致较低的线圈电流及较厚的等离子体鞘层，使电感耦合产生的电场远低于电容耦合产生的径向静电场，因此径向静电场起主导作用。径向静电场使极小部分的先驱气体电离，但产生的大部分电子都不能获得足够的能量而进一步深度电离，使气体离化率很低，等离子体密度也非常低(～10¹⁰cm^-3，与PECVD的量级大致相当)；同时由于此径向静电场与衬底表面平行，使得正离子的运动被约束在与衬底表面平行的方向。因此，非平行板式电容耦合等离子体技术主要从降低正离子密度和约束正离子运动方向两个方面，来显著抑制等离子体沉积过程中正离子对衬底表面的轰击，从而降低表面损伤。此外非平行板式电容耦合等离子体的电感天线裸露于真空室外面，可避免沉积过程中电极与衬底的交叉污染，有效提高薄膜的质量。

附图说明

图1(a)是PECVD工作原理图以及等离子体中的正离子运动示意图。

图1(b)是ICPCVD的工作原理图以及等离子体中的正离子运动示意图。

图2(a)是非平行板式电容耦合等离子体系统的工作原理图以及等离子体中的正离子运动示意图。

图2(b)是平面矩形螺旋状线圈在容性放电模式下产生的径向静电场示意图。

图2(c)是非平行板式电容耦合等离子体系统的能量运输机制示意图。

符号说明

21：射频发生器 22：匹配网络

23：平面电感线圈 24：不锈钢真空室

25：石英玻璃 26：衬底支架

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步详细阐述。

首先，为了方便阐述，我们定义以通过平面螺线圈中心并且垂直于线圈向下的方向为z轴正方向，定义垂直Z轴的方向为r方向。在图2(a)中，当平面螺线圈23由射频发生器21注入较低频(500kHz)电流时，放电空间同时存在两种不同的电场，分别是由线圈两端的电位差建立的径向静电场(电容耦合)和由放电空间磁场变化产生的涡旋电场(电感耦合)。在非平行板式电容耦合等离子体放电模式下，射频输入功率较低，导致较低的线圈电流及较厚的等离子体壳层，使电感耦合产生的电场远低于电容耦合产生的径向静电场。因此，径向静电场维持的等离子体放电起主导作用。然而径向静电场对于电子的加速作用有限，电子所获得的能量也有限，因此只能使极小部分的先驱气体电离，但产生的大部分电子都不能获得足够的能量而进一步深度电离，导致气体离化率很低，同时等离子密度也非常低。另一方面，与衬底表面平行的径向静电场使正离子的运动被约束在与衬底表面平行的r方向。此时，等离子体在真空室24中的状态是沿着r方向运动，并且其运动强度随着z方向逐渐递减；同时，样品衬底被放置在保持旋转的衬底支架26上以保证沉积薄膜的均匀性。因此，在非平行板式电容耦合等离子体化学气相沉积过程中，等离子体对衬底表面的损伤可以被有效抑制，也就是说等离子体中的活性分子能以一种温和的方式均匀地沉积在衬底表面，形成高质量薄膜。

在非平行板式电容耦合等离子体工作过程中，为了使其获得最大的传输功率，我们通过匹配网络对其进行匹配。下面我们将对其匹配原理进行简单计算。在图2(c)中，从端点A-A’向右看的导纳为

其中GA为电导，BA为电纳，XL电路负载等效总电容感抗，R为电路负载等效总电阻，Xd和Xp分别是两个鞘层电容容抗，X1为一个可调电容容抗。为了获得最大功率传输，必须使GA与1/Ro相等，这里Ro为射频源的戴维南等效内阻。由此可以计算出X1，由X1＝(-ωC1)-1即可得到C1的值。再由得到的X1代入BA，并且选择一个合适的C2值抵消这个电纳BA，令B2＝ωC2＝-BA则可确定匹配条件下的C2的值。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种非平行板式电容耦合等离子体放电系统，其特征是采用平面矩形螺旋状线圈、0.5MHz或2MHz的射频电源发生器以及通过可实际实现的调谐匹配网络维持在较低输入功率下的电容耦合稳定放电；包括：

一、平面矩形螺旋状线圈；

二、可实际实现的匹配网络；

三、低频电源发生器；

所述平面矩形螺旋状线圈放置于柱状不锈钢真空室正上方，平行于石英玻璃，且距离石英玻璃约3mm，低频电源发生器与平面矩形螺旋状线圈连接，给线圈提供低频交流电，并通过匹配网络使放电系统达到匹配，衬底支架位于柱状不锈钢真空室内部，用于放置样品。

2.根据权利要求1所述的一种非平行板式电容耦合等离子体放电系统，其特征是：所述平面矩形螺旋状线圈的形状为平面矩形螺旋状。

3.根据权利要求1所述的一种非平行板式电容耦合等离子体放电系统，其特征是：所述匹配网络，由串联电容和并联电容组成，并联电容为固定电容，串联电容为可调谐电容，且能满足在本发明装置工作过程中，使其获得最大的传输功率。

4.根据权利要求1所述的一种非平行板式电容耦合等离子体放电系统，其特征是：所述低频电源发生器选用0.5MHz或者2MHz的射频电源，采用Advanced Energy的PDX5000或者PDX8000。