CN104862651A - 氢化硅薄膜的制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

氢化硅薄膜的制备装置和制备方法，属于半导体材料技术领域。包括反应室及与反应室相连接的抽真空系统，反应室下侧壁设有进气口，进气口与进气系统相连接；反应室内底部设有电子束蒸发系统，电子束蒸发系统包括高压电源接口、灯丝电源接口、控制电极、灯丝、聚焦单元、磁偏单元、坩埚及屏蔽罩，灯丝加热后发射的热电子通过聚焦单元在磁偏单元的作用下入射到坩埚中，屏蔽罩上设有电子束引出窗；反应室内还设有辉光放电系统，辉光放电系统包括平行板电容，平行板电容包括上板和下板，上板包括基片架和覆盖在基片架顶部的盖体，盖体与基片架间形成用于放置基片的基片槽，电子束引出窗引出电子的作用区域与基片槽的位置相匹配；适用于制备氢化硅薄膜。

Description

氢化硅薄膜的制备装置和制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，涉及一种制备氢化硅薄膜的装置和方法。

背景技术

当前世界上最大的工业为电子工业，而半导体技术正是电子工业的基础。其中，硅晶体材料独占电子工业所消耗的半导体材料的95％。硅晶体材料包括氢化硅，氢化硅具体包括氢化非晶硅、氢化纳米硅、氢化微晶硅、氢化多晶硅，上述材料都是两相结构材料，它们的区别在于其晶态比和晶粒大小不同。因具有良好的光电特性，它们广泛应用于太阳能电池、光敏传感器、薄膜晶体管等光电领域。

目前，制备氢化硅薄膜的方法主要有两种：(1)PECVD法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)。该法制备氢化硅薄膜的沉积效率较高，所得到的薄膜应力较好，不易脱落，但其最大的缺点是所用的硅烷属于高危气体，而且成本较高；(2)射频磁控溅射法。该法制备氢化硅薄膜所使用的原材料为硅靶材，安全性高，但其制备出的薄膜质量较差，容易脱落。因此，亟需一种低成本、安全性强且能够有效提升薄膜沉积效率的氢化硅薄膜制备装置和制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种氢化硅薄膜的制备装置和制备方法，能够降低风险，节约成本且有效提升薄膜沉积效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：氢化硅薄膜的制备装置，包括反应室及与反应室相连接的抽真空系统，所述反应室的下方侧壁上设有进气口，进气口与进气系统相连接，所述进气系统包括至少一个进气支管，进气支管上设置有控制阀；反应室内底部还设有电子束蒸发系统，

所述电子束蒸发系统包括高压电源接口、灯丝电源接口、灯丝、聚焦单元、磁偏单元、坩埚及屏蔽罩，所述高压电源接口分别与灯丝及地相连，所述灯丝与灯丝电源接口相连，灯丝、聚焦单元、磁偏单元及坩埚位于屏蔽罩内，所述磁偏单元包括永磁体和磁场线圈，灯丝加热后发射的热电子通过聚焦单元在磁偏单元的作用下入射到坩埚中，屏蔽罩上设有电子束引出窗，电子束引出窗的上方设有挡板，所述反应室侧部设有用于支撑挡板的挡板支杆，反应室侧壁上还分别设有与高压电源接口及灯丝电源接口匹配的通孔；反应室内还设有辉光放电系统，所述辉光放电系统包括平行板电容，平行板电容包括上板和下板，上板和下板分别设有射频电源接口，上板包括基片架和覆盖在基片架顶部的盖体，所述盖体与基片架之间形成用于放置基片的基片槽，上板上方均匀设置有若干个加热器，所述电子束引出窗引出电子的作用区域与基片槽的位置相匹配。

具体的，所述电子束蒸发系统为结构为e形电子枪结构的电子束蒸发系统。

进一步的，所述进气支管上还设有气体流量监控器。

优选的，还包括设置于进气口与进气支管之间的进气主管，所述进气主管均与各个进气支管相连通。

具体的，所述抽真空系统包括高真空阀门、分子泵、第一机械泵、低真空阀门、第二机械泵及尾气处理池，所述分子泵通过主管道与反应室底部相连接，主管道上设有高真空阀门，分子泵通过第一机械泵与尾气处理池相连，主管道通过第二机械泵与尾气处理池相连，所述主管道与第二机械泵之间连接有低真空阀门。

还包括设置于反应室外部的控制电路，所述控制电路分别与挡板、永磁体和磁场线圈相连。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：氢化硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A.将清洗干净的基片放置于上述的氢化硅薄膜的制备装置的基片槽中，封闭反应室，并利用抽真空系统对反应室进行抽真空操作，直至反应室的气压达到5*10^-4Pa，同时开启加热器进行预热；

B.反应室达到高真空状态后，所述高真空状态的范围为5*10^-4～5*10^-5Pa，通过进气系统通入反应气体H₂和Ar，并使得反应室中的气压稳定到80～500Pa；

C.开启辉光放电系统，并以50～400W的功率电离反应气体，清洗基片2～5min；

D.开启电子束蒸发系统，以4～10kV的电压及20～160mA的电子束流轰击放置于坩埚内的单晶硅材料，同时打开电子束引出窗上方的挡板；

E.待反应10～100min后，依次关闭各电子束蒸发系统、辉光放电系统及进气系统，并冷却反应室。

本发明的有益效果是：本发明能够有效制备氢化硅薄膜，成本低廉，安全性强，大大提高提升沉积效率；利用该装置及方法制备得到的氢化硅薄膜质量较好、平整度高、不易脱落。本发明适用于制备氢化硅薄膜。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的装置中的基片架的结构示意图；

图3是本发明的装置中基片架的俯视图；

图4是本发明的装置中基片架使用时的俯视图；

图5是本发明的方法流程图；

其中，1为反应室，11为高压电源，12为灯丝电源，13为灯丝，14为聚焦系统，15为永磁体，16为磁场线圈，17为屏蔽罩，18为挡板，181为挡板支杆，19坩埚，21为射频电源，22为平行板电容，23为加热器，25为基片，31为气体流量监控器，32为控制阀，33为进气支管，41为高真空阀门，42为分子泵，43为第一机械泵，44为低真空阀门，45为第二机械泵，46为尾气处理池，47为主管道，51为盖体，52为基片架，53为基片，54为基片槽。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供了一种新的氢化硅薄膜的制备装置，包括反应室1及与反应室相连接的抽真空系统，所述反应室1的下方侧壁上设有进气口，进气口与进气系统相连接，所述进气系统包括两个进气支管33，每个进气支管33上设置有控制阀32。当需要进气时，打开控制阀32，不需要进气时关闭控制阀32即可。为了控制进气量，进气支管33上还设有气体流量监控器31，气体流量监控器31可以设置在控制阀32前端或后端。

反应室1内底部还设有电子束蒸发系统，所述电子束蒸发系统包括高压电源接口、灯丝电源接口、灯丝13、聚焦单元14、磁偏单元、坩埚16及屏蔽罩17。在使用时，所述高压电源接口分别与灯丝(阴极)及地(阳极)相连，高压电源接口与高压电源相连，高压电源提供4kV到10kV连续可调电压。灯丝电源接口与灯丝电源相连，灯丝电源接口还与灯丝13两端相连，灯丝电源提供3V交流电。灯丝13、聚焦单元14、磁偏单元及坩埚19位于屏蔽罩17内，聚焦单元14位于灯丝13前方，聚焦单元可以采用金属挡板，聚焦单元置于灯丝电子引出方向前端位置，其作用是调节由灯丝引出的较为发散的电子束流的聚集度。磁偏单元包括永磁体15和磁场线圈16，磁场线圈内的电线引出到反应室外部，永磁体的作用是使引出的电子束流偏转，使电子束流作用到坩埚中的靶材中，磁场线圈的作用是调节电子束轰击靶材的位置及扫描方式。灯丝13加热后发射的热电子通过聚焦单元14在磁偏单元的作用下入射到坩埚19中，屏蔽罩17上设有电子束引出窗，电子束引出窗的上方设有挡板18，所述反应室1侧部设有用于支撑挡板18的挡板支杆181。反应室1侧壁上还分别设有与高压电源接口及灯丝电源接口匹配的通孔；

反应室1内还设有辉光放电系统，所述辉光放电系统包括平行板电容22，平行板电容22包括上板和下板，上板和下板分别设有射频电源接口，在使用时，其射频电源接口分别与射频电源的两端相连，如图2至4所示，上板包括基片架52和覆盖在基片架52顶部的盖体51，所述盖体51与基片架52之间形成用于放置基片53的基片槽54。将基片53放置在基片槽54中，然后将盖体51盖上即可固定基片。上板上方均匀设置有若干个加热器23，加热器数目为若干个，只要能够保证使得基片架52均匀受热即可，例如2个或3个皆可。所述电子束引出窗引出电子的作用区域与基片槽的位置相匹配，即在使用时基片所在位置为引出电子束作用区域。

本发明的装置使用可聚焦的电子束，能够局部加温元素源，因为不加热其他部分而会避免污染，有效提高镀膜的质量，且未使用高危气体，提高安全性。

优选的，所述电子束蒸发系统为结构为e形电子枪结构的电子束蒸发系统。该结构的优点是直接加热、效率高，不易污染，避免反应，提高制备的薄膜的纯度；其缺点为装置较为复杂，成本高昂。

本装置还包括设置于进气口与进气支管33之间的进气主管，所述进气主管均与各个进气支管33相连通。如此设计能够有效前混合气体，提高混合气体均匀性，同时可以利用一个进气口，避免在反应室上多开几个进气口，以便提高反应室的密封性。

本装置的抽真空系统可以采用现有技术，也可以采用本技术方案提供的系统，如下：该抽真空系统与反应室底部相连接。抽真空系统包括高真空阀门41、分子泵42、第一机械泵43、低真空阀门44、第二机械泵45及尾气处理池46，所述分子泵42通过主管道47与反应室底部相连接，主管道上设有高真空阀门41，分子泵42通过第一机械泵43与尾气处理池46以管道相接，主管道通过第二机械泵45与尾气处理池46相连，所述主管道与第二机械泵45之间连接有低真空阀门44。主管道中的高真空阀门41上方，即高真空阀门41与反应室之间的位置连接有支管，支管内设有低真空阀门44，支管的另一端与第二机械泵45相连，第二机械泵45又与尾气处理池46相连。

为了能够调节本装置中的电子束大小及作用区域，还包括设置于反应室外部的控制电路，所述控制电路分别与挡板、永磁体15和磁场线圈16相连，以便控制挡板的旋转、电子束流大小及电子束轰击靶材的位置及扫描方式。此外，控制电路还可以与高压电源和灯丝电源相连，以便控制调节高压电源电压、灯丝电源电压的大小。

利用上述装置制备氢化硅薄膜的原理为：由电子束蒸发系统产生电子束轰击晶体硅颗粒或块材，产生硅原子和硅离子；由辉光放电系统电离H₂，产生H等离子体，上述两个系统在一个反应室内同时工作，硅原子和硅离子在H等离子体环境下与H原子和H离子相互作用产生制备氢化硅所需的各种功能基团，从而得到氢化硅薄膜。如图5所示，其方法具体包括：

1.清洗基片，并将洗净的基片放置在基片槽中，封闭反应室，利用反应室的抽真空系统对反应室进行抽真空操作，直至反应室中的气压达到5*10^-4Pa，同时开启平行板电容的加热器进行预热。

2.反应室达到高真空状态后，即气压范围为5*10^-4～5*10^-5Pa时，通过进气系统通入H₂和Ar作为反应气体，并等待气压稳定到80～500Pa。

3.开启辉光放电系统，并以50～400W的功率电离反应气体，得到H等离子体，并清洗基片2～5min。

4.开启电子束蒸发系统，以4～10kV的电压及20～160mA的电子束流轰击放置于坩埚内的单晶硅材料，同时打开电子束引出窗上方的挡板，使蒸发出的硅原子及硅离子在H等离子体环境下与H原子和H离子相互作用，产生制备氢化硅薄膜的各种功能基团。挡板可以由外部控制电路打开，也可以由装置控制，如加一控制器及驱动装置，控制器与驱动装置相连，驱动装置又与挡板相连，一定时间后可以由控制器控制驱动装置打开挡板，此外也可以在控制器上设置开关，触发开关后，控制器控制驱动装置打开或关闭挡板。

5.待反应10～100min后，依次关闭各电子束蒸发系统、辉光放电系统及进气系统，并冷却反应室。

经过实践操作，证实本技术方案中的装置和方法可以制备包括氢化非晶硅薄膜、氢化纳米硅薄膜、氢化微晶硅薄膜、氢化多晶硅薄膜，优选的，可以制备氢化非晶/纳米硅薄膜。

Claims (7)

1.氢化硅薄膜的制备装置，其特征在于，包括反应室(1)及与反应室相连接的抽真空系统，所述反应室(1)的下方侧壁上设有进气口，进气口与进气系统相连接，所述进气系统包括至少一个进气支管(33)，进气支管(33)上设置有控制阀(32)；反应室(1)内底部还设有电子束蒸发系统，所述电子束蒸发系统包括高压电源接口、灯丝电源接口、灯丝(13)、聚焦单元(14)、磁偏单元、坩埚(19)及屏蔽罩(17)，所述高压电源接口分别与灯丝及地相连，灯丝(13)与灯丝电源接口相连，灯丝(13)、聚焦单元(14)、磁偏单元及坩埚(16)位于屏蔽罩(17)内，所述磁偏单元包括永磁体(15)和磁场线圈(16)，灯丝(13)加热后发射的热电子通过聚焦单元(14)在磁偏单元的作用下入射到坩埚(19)中，屏蔽罩(17)上设有电子束引出窗，电子束引出窗的上方设有挡板(18)，所述反应室侧部设有用于支撑挡板(18)的挡板支杆，反应室(1)侧壁上还分别设有与高压电源接口及灯丝电源接口匹配的通孔；反应室(1)内还设有辉光放电系统，所述辉光放电系统包括平行板电容(22)，平行板电容(22)包括上板和下板，上板和下板分别设有射频电源接口，上板包括基片架和覆盖在基片架顶部的盖体，所述盖体与基片架之间形成用于放置基片的基片槽，上板上方均匀设置有若干个加热器(23)；所述电子束引出窗引出电子的作用区域与基片槽的位置相匹配。

2.如权利要求1所述的氢化硅薄膜的制备装置，其特征在于，所述电子束蒸发系统为结构为e形电子枪结构的电子束蒸发系统。

3.如权利要求1所述的氢化硅薄膜的制备装置，其特征在于，所述进气支管(33)上还设有气体流量监控器(31)。

4.如权利要求1所述的氢化硅薄膜的制备装置，其特征在于，还包括设置于进气口与进气支管之间的进气主管，所述进气主管均与各个进气支管相连通。

5.如权利要求1所述的氢化硅薄膜的制备装置，其特征在于，所述抽真空系统包括高真空阀门(41)、分子泵(42)、第一机械泵(43)、低真空阀门(44)、第二机械泵(45)及尾气处理池(46)，所述分子泵(42)通过主管道(47)与反应室底部相连接，主管道上设有高真空阀门(41)，分子泵(42)通过第一机械泵(43)与尾气处理池(46)相连，主管道通过第二机械泵(45)与尾气处理池(46)相连，所述主管道与第二机械泵(45)之间连接有低真空阀门(44)。

6.如权利要求1所述的氢化硅薄膜的制备装置，其特征在于，还包括设置于反应室外部的控制电路，所述控制电路分别与挡板、永磁体(15)和磁场线圈(16)相连。

7.氢化硅薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将清洗干净的基片放置于如1至6任意一项权利要求所述的氢化硅薄膜的制备装置的基片槽中，封闭反应室，并利用抽真空系统对反应室进行抽真空操作，直至反应室的气压达到5*10^-4Pa，同时开启加热器进行预热；

B.反应室达到高真空状态后，所述高真空状态的范围为5*10^-4～5*10^-5Pa，通过进气系统通入反应气体H₂和Ar，并使得反应室中的气压稳定到80～500Pa；

C.开启辉光放电系统，并以50～400W的功率电离反应气体，清洗基片2～5min；

D.开启电子束蒸发系统，以4～10kV的电压及20～160mA的电子束流轰击放置于坩埚内的单晶硅材料，同时打开电子束引出窗上方的挡板；

E.待反应10～100min后，依次关闭各电子束蒸发系统、辉光放电系统及进气系统，并冷却反应室。