CN115466939A - 一种光调制化学气相沉积装置以及利用其调制薄膜生长温度的方法 - Google Patents

一种光调制化学气相沉积装置以及利用其调制薄膜生长温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光调制化学气相沉积装置，腔室为反应气体提供密闭空间，衬底为设置于腔室内的透明或半透明衬底，辉光发生触发源设置于腔室内的衬底的前方并作用于反应气体使其产生辉光以在衬底的面向辉光发生触发源的表面沉积功能薄膜，光反射器件设置于腔室内的衬底的后方并将收集到的光朝向衬底的面向光反射器件的表面反射以控制到达衬底的热量，从而调制薄膜的生长温度。本发明还涉及利用上述光调制化学气相沉积装置调制薄膜生长温度的方法。根据本发明的光调制化学气相沉积装置，可以调制辉光放电薄膜的生长温度，与传统加热器加热相比，可以简化设备制造、降低设备能耗和成本，具有高度的产业化利用价值。

Description

一种光调制化学气相沉积装置以及利用其调制薄膜生长温度 的方法
技术领域
本发明涉及真空设备、半导体器件及太阳电池制造领域，更具体地涉及一种光调制化学气相沉积装置以及利用其调制薄膜生长温度的方法。
背景技术
真空镀膜技术广泛地用于各种光电子器件、光学薄膜及超硬薄膜沉积等领域。化学气相沉积是一种应用较为普遍的沉积方式，易于实现大面积且均匀的薄膜沉积。
目前，用于化学气相沉积设备加热衬底的方式多为某种金属通电后的热辐射加热，该方法利于衬底的快速升温，特别是高温加热形成多晶或结晶性良好的材料。然而对于无定形材料的生长对温度控制的要求较为精密，过高或过低的加热温度都会使薄膜质量发生变化，1℃～5℃的温度变化就会引起薄膜网络中的键长和键角发生较大的变化。同时，加热器的耗能和精密控制器也是一项不小的支出。
发明内容
为了解决上述现有技术中的温度控制粗犷且成本高昂等问题，本发明提供一种光调制化学气相沉积装置以及利用其调制薄膜生长温度的方法。
根据本发明的光调制化学气相沉积装置，其包括腔室、衬底、辉光发生触发源和光反射器件，其中，腔室为反应气体提供密闭空间，衬底为设置于腔室内的透明或半透明衬底，辉光发生触发源设置于腔室内的衬底的前方并作用于反应气体使其产生辉光以在衬底的面向辉光发生触发源的表面沉积功能薄膜，光反射器件设置于腔室内的衬底的后方并将收集到的光朝向衬底的面向光反射器件的表面反射以控制到达衬底的热量，从而调制薄膜生长前驱物在生长表面的迁移、键合和解吸附。
优选地，衬底为晶体硅衬底或导电玻璃衬底。
优选地，辉光发生触发源为用于实现光加热的热丝。
优选地，光反射器件为镜面平板或漫反射板，反射率为5％-90％。
优选地，光反射器件为金属电镀件或具有趋于镜面的金属表面或带有金属涂层。
根据本发明的利用上述光调制化学气相沉积装置调制薄膜生长温度和薄膜微结构的方法，其包括如下步骤：S1，将衬底置于腔室内；S2，向腔室中通入反应气体，辉光发生触发源作用于反应气体使其产生辉光以在衬底的面向辉光发生触发源的表面沉积薄膜，光反射器件将收集到的光朝向衬底的面向光反射器件的表面反射以控制到达衬底的热量，从而对衬底和薄膜的温度进行调制。
优选地，反应气体在腔室中被辉光发生触发源电离，得到的等离子体发光即形成辉光，由此通过辉光放电沉积形成薄膜。
优选地，光反射器件具有可调的表面反射率，以有效控制到达衬底的热量起到加热、辅助加热或散热的作用。
优选地，通过改变光反射器件，薄膜生长表面获得1～20℃的温度调控。
优选地，薄膜为非晶硅薄膜或纳晶硅薄膜。
根据本发明的光调制化学气相沉积装置，可以调制辉光放电薄膜的生长温度，适用于光电器件、光学器件、半导体器件和新能源领域；而且，根据本发明的光调制化学气相沉积装置，可以提高真空镀膜原位生长质量和真空设备节能，与传统加热器加热相比，可以简化设备制造、降低设备能耗和成本，具有高度的产业化利用价值。根据本发明的光调制化学气相沉积方法，在衬底上化学气相沉积各类薄膜的过程中，光反射器件将透过衬底的红外光(例如可见光不能穿过硅片，只有红外可以穿过且红外光的加热效果比较好)反射至衬底，从而实现对红外光的再次利用，提高能源的利用。而且，根据本发明的光调制化学气相沉积方法，可以分别实现精细化调控的红外加热增强效应和减弱效应，使薄膜的生长表面的前驱物获得合适的动能或抑制高温导致的疏松结构，提升薄膜的致密度，降低薄膜的内部缺陷，从而通过宏观直接调控光源的强弱引起整个沉积氛围的大幅度变化来调节薄膜质量。因此，根据本发明的光调制化学气相沉积方法，可以有效提升太阳电池或其他器件上各类薄膜的质量和工作效率；用在硅异质结太阳电池中可以提升本征非晶硅的沉积温度可以提升其钝化质量，改善表面钝化性能，提升电池开压和光电转换效率。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的光调制化学气相沉积装置的结构示意图；
图2示出了使用图1的镜面平板前后形成的薄膜的光学参数变化；
图3示出三种光反射器件在红外波段的反射率；
图4是根据本发明的另一个优选实施例的光调制化学气相沉积装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。需要说明的是，下面所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1所示，根据本实施例的光调制化学气相沉积装置包括腔室1、衬底2、辉光发生触发源3和光反射器件4，其中，腔室1为反应气体提供密闭空间，衬底2为设置于腔室1内的透明或半透明衬底，辉光发生触发源3设置于腔室1内的衬底2的前方并作用于反应气体使其产生辉光以在衬底2的面向辉光发生触发源3的表面沉积无定形薄膜5，光反射器件4设置于腔室1内的衬底2的后方并将收集到的光朝向衬底2的面向光反射器件4的表面反射以控制到达衬底2的热量，从而调制薄膜5的生长温度。
其中，衬底2为晶体硅衬底或导电玻璃衬底。
其中，辉光发生触发源3为用于实现光加热的热丝，以通过热丝光调制化学气相沉积形成薄膜5。应该理解，这里的热丝仅作为示例而非限制，利用等离子体增强、其他光加热、光敏化、光催化、热分解和功率馈入等方式均可进行光调制化学气相沉积。
其中，衬底2和光反射器件4之间的距离为20mm，光反射器件4的面积大于衬底2面积的1.1倍，从而通过光反射器件4收集透过衬底2的绝大部分光。
其中，光反射器件4为镜面平板以提供非晶硅薄膜。
其中，光反射器件4为金属电镀件或具有趋于镜面的金属表面或带有金属涂层。优选地，这里的金属包括金、银、铜、铁、钢、铝或它们的合金。
根据本发明的利用光调制化学气相沉积装置调制薄膜生长温度的方法，包括如下步骤：S1，将衬底2置于腔室1内；S2，向腔室1中通入反应气体，辉光发生触发源3作用于反应气体使其产生辉光以在衬底2的面向辉光发生触发源3的表面沉积薄膜5，光反射器件4将收集到的光朝向衬底2的面向光反射器件4的表面反射以控制到达衬底2的热量，从而对衬底2和薄膜5的温度进行调制。
由此，根据本发明的光调制化学气相沉积方法，通过位于衬底2的背面的光反射器件4来收集和反射光，可以精细化地改善薄膜5的生长温度，从而调整薄膜5的微结构。如图2所示，为添加镜面平板前后非晶硅薄膜5的介电常数虚部的变化。由于镜面平板的反射，同等沉积条件下沉积的非晶硅介电常数虚部最大值由原来的26.06增加到28.21，证明镜面平板的增加使非晶硅薄膜5的基底温度增加而大幅度提升了非晶硅薄膜5的密度。
其中，反应气体在腔室1中被辉光发生触发源3电离，得到的等离子体发光即形成辉光，由此通过辉光放电沉积形成薄膜5。应该理解，通入不同反应气体可获得不同种类的多种薄膜5。也就是说，薄膜5可以是各种利用辉光放电沉积的薄膜，如硅基薄膜、碳基薄膜等功能薄膜材料。
其中，光反射器件4具有可调的表面反射率，以有效控制到达衬底2的热量起到加热、辅助加热或散热的作用。优选地，光反射器件4通过不同金属表面来提供不同的反射率，从而利用不同反射率来调制衬底2的温度。由此，根据本发明的利用光反射装置调制薄膜温度的方法，可以通过光反射器件4的表面对光的反射率高低来调制薄膜5的表面温度，起到改善薄膜5的微结构的作用。应该理解，光反射器件4的调制强弱与薄膜5的生长工艺和功能相关。
具体地，通过改变光反射器件4，薄膜5可获得10～20℃的温度提升。如图3所示，加入表面光滑的金属平板反射元件A，在红外波段(400-1000nm之间)有60％以上的光可以被反射用于二次加热；加有纳米银颗粒/透明导电氧化物(TCO)复合涂层B(120nm透明导电薄膜IWTO和12nm厚银纳米颗粒的叠层膜B)的表面可以将700-1100nm的红外波段的反射率降至40％左右，相对于没有反射板时的温度提升5～15℃；将金属表面做粗糙化处理C(表面磨磨砂设计)，对透过衬底的光进行漫反射，可以将800-1100nm红外波段的反射率进一步降低至25％以下，此时相对于没有反射板时的温度提升仅有0～10℃，这种利用平板表面形貌和材料差异调制红外波段反射率的方法可以控制样品生长表面的温度，温差最大可在20℃内调节。
因此，根据本发明的光调制化学气相沉积方法，可以在不改变生长表面前驱物浓度的前提下，通过温度调控薄膜生长前驱物的扩散长度和解离速率来调整和改善所沉积薄膜的微结构，提高薄膜质量和对应的器件性能。
实施例2
如图4所示，根据本实施例的光调制化学气相沉积装置该上一实施例中的光反射器件4替换为光反射器件40，其为漫反射板以提供晶化率在5％～90％的纳晶硅薄膜。该漫反射板具有锯齿形几何立体结构。大部分透过衬底的光被具有几何结构的光反射器件40漫反射而调制衬底温度：如果沉积薄膜的晶化率在5％～20％之间，红光波段反射率要低，选用图3中粗糙金属面的漫反射结构；如果沉积薄膜的晶化率在20％～60％，红光波段反射率要稍高，选用图3中银纳米颗粒/透明介电薄膜的复合表面；如果沉积薄膜的晶化率在60％～90％，红光波段的反射率要高，选用镜面漫反射结构获得更多对光的吸收提高生长前驱物的动能。所沉积薄膜晶化率的大小与几何结构的尺度、表面微纳结构有直接的关系。
其中，光反射器件40可以具有各种一维、二维和三维的几何陷光结构，如V型、U型、倒金字塔型和蜂窝型等结构。
其中，光反射器件40表面有周期性排列或不规则的几何形状结构。
其中，光反射器件4，40收集到的光包括紫外光、可见光和红外光。实际上，光反射器件4，40有效收集腔室1环境中的所有的光，包括固定光源、辉光区、四周反射和透过衬底2背表面的光，并将收集到的光反射至衬底2的面向光反射器件4，40的表面。其中，红外光是大部分衬底2无法吸收的，这部分光反射后对衬底2起到加热的作用，可以提高所沉积无定形薄膜5生长前驱物的动能，促进前驱物在衬底2的表面的扩散从而提升成膜质量，进而提升器件性能；对于纳晶或微晶结构的薄膜5生长过程雇佣的高功率或高电流会引起热量的急剧升高，利用粗糙或绒度较大的光反射器件4，40可以有效降低反射而抑制环境温度升高的问题，从而保证薄膜5的生长过程不受干扰，获得高质量薄膜的稳定生长。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种光调制化学气相沉积装置，其特征在于，该光调制化学气相沉积装置包括腔室、衬底、辉光发生触发源和光反射器件，其中，腔室为反应气体提供密闭空间，衬底为设置于腔室内的透明或半透明衬底，辉光发生触发源设置于腔室内的衬底的前方并作用于反应气体使其产生辉光以在衬底的面向辉光发生触发源的表面沉积功能薄膜，光反射器件设置于腔室内的衬底的后方并将收集到的光朝向衬底的面向光反射器件的表面反射以控制到达衬底的热量，从而调制薄膜的生长温度。
2.根据权利要求1所述的光调制化学气相沉积装置，其特征在于，衬底为晶体硅衬底或导电玻璃衬底。
3.根据权利要求1所述的光调制化学气相沉积装置，其特征在于，辉光发生触发源为用于实现光加热的热丝。
4.根据权利要求1所述的光调制化学气相沉积装置，其特征在于，光反射器件为镜面平板或漫反射板，反射率为5％-90％。
5.根据权利要求1所述的光调制化学气相沉积装置，其特征在于，光反射器件为金属电镀件或具有趋于镜面的金属表面或带有金属涂层。
6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的光调制化学气相沉积装置调制薄膜生长温度和薄膜微结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1，将衬底置于腔室内；
S2，向腔室中通入反应气体，辉光发生触发源作用于反应气体使其产生辉光以在衬底的面向辉光发生触发源的表面沉积薄膜，光反射器件将收集到的光朝向衬底的面向光反射器件的表面反射以控制到达衬底的热量，从而对衬底和薄膜的温度进行调制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，反应气体在腔室中被辉光发生触发源电离，得到的等离子体发光即形成辉光，由此通过辉光放电沉积形成薄膜。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，光反射器件具有可调的表面反射率，以有效控制到达衬底的热量起到加热、辅助加热或散热的作用。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过改变光反射器件，薄膜生长表面获得1～20℃的温度调控。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，薄膜为非晶硅薄膜或纳晶硅薄膜。
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