CN1168118C - 成膜设备和形成结晶硅薄膜的方法 - Google Patents

成膜设备和形成结晶硅薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

一种成膜设备，包括用于在基片上形成结晶硅薄膜的形成硅薄膜的真空室；为该真空室而装备的成膜装置，以在所述基片的目标表面上形成结晶硅薄膜的预制膜；以及为该真空室而装备的能量束辐照装置，以便用能量束辐照所述预制膜使之结晶。该成膜设备制得的结晶硅薄膜作为TFT等的半导体薄膜具有良好的质量和良好的生产率。

Description

成膜设备和形成结晶硅薄膜的方法
技术领域
本发明涉及用于形成结晶硅薄膜的成膜设备，所述硅薄膜可作为例如用于液晶显示器的各个象素的TFT(薄膜晶体管)开关材料、集成电路、太阳能电池等，除了结晶薄膜以外，如有必要，该设备还可用于形成电绝缘薄膜(如硅化合物薄膜)。
本发明还涉及形成结晶硅薄膜的方法。
背景技术
无定形硅薄膜已作为半导体薄膜用作TFT等，因为大面积的无定形硅薄膜能在低温下制得。但是，目前需要晶体粒径为200nm或更大，尤其是约300nm或更大的结晶硅薄膜，以改进晶体管特性和形成带有集成的驱动电路的器件。可使用数种方法形成结晶硅薄膜。例如，可用热CVD法形成该薄膜，在该方法中将基片(即在上面将形成或沉积薄膜的工件或物体)加热至600℃或更高的高温，并在常压或减压下通过热CVD形成薄膜。在另一种方法中，用PVD法(如将基片保持在约700℃或更高的温度下的真空沉积或阴极溅涂沉积)形成结晶硅薄膜。在另一个方法中，在相对低的温度下通过合适的CVD或PVD法形成无定形硅薄膜，随后后处理(在800℃或更高的温度下对无定形薄膜进行热处理，或者在约600℃的温度下对其进行约20小时或更长时间的热处理)进行结晶。另外，可使用对无定形硅薄膜进行激光退火的方法使之结晶。
在这些方法中，激光退火法(对无定形硅薄膜进行激光退火使之结晶)可在比其它方法更低的温度下制造结晶硅薄膜。因此，激光退火法加工的基片不限于石英这类具有高熔点的材料，该方法可用于例如相对价廉并具有低熔点的玻璃这类材料。此外，加工退火可在较短的时间内完成，从而改进了结晶硅薄膜的生产效率。
但是，形成无定形薄膜和进行激光退火常分别在不同的设备中进行，涂覆了薄膜的基片需迁入空气中以便将基片和薄膜置于激光辐照设备中。
在某些情况下，在形成无定形硅薄膜之前或之后形成电绝缘薄膜(如硅化合物薄膜)。该绝缘膜通常在另一个设备中形成。因此，难以使各层膜的边界或它们之间的界面保持清洁，因此难以得到良好的器件特性。另外，在这些设备之间传送基片并重复加热该基片需要长的时间，导致低的生产能力。
根据用激光束照射无定形硅薄膜的方法，该激光必须具有很高的能量密度，以便使结晶硅薄膜具有200nm或更大的实际需要的晶体粒径值，最好具有300nm或更大的晶体粒径值。因此，激光辐照设备必须具有高的功率。由此需要昂贵的设备，并且高发射功率的激光束变得不稳定，使得生产力下降。
由于无定形硅薄膜含有大量的混入其中的氢，如果不经处理，当用激光束辐照薄膜时，氢的膨胀(bumping)会影响薄膜的质量。因此，必须对形成于基片上的无定形硅薄膜进行热处理以除去氢，从而需要耗时的加工步骤。
在使无定形硅薄膜结晶而形成的结晶硅薄膜中存在许多悬空键。因此，为了获得良好的仪器特性，必须将该结晶硅薄膜置于氢等离子体中用氢填充这些悬空键，这也需要耗时的加工步骤。
在用激光束辐照使无定形硅薄膜结晶的方法中，如上所述该激光必须具有非常高的能量密度，以使制得的结晶硅薄膜具有实际允许的晶体粒径值。但是，真空沉积法、阴极溅涂沉积法和其它方法形成的无定形硅薄膜不具有足够高的与基片的粘性。因此，在激光退火过程中薄膜中会由于应力而容易产生局部脱层。
在用真空沉积、阴极溅涂沉积或其它方法形成无定形硅薄膜的情况下，用激光结晶法形成的晶体的粒径难以控制。因此，最终形成的产品薄膜会没有足够大的晶体粒径，或会具有过分大的晶体粒径，形成不规则的晶粒边界，使薄膜具有大的表面粗糙度。
发明的内容
因此，本发明的目的是提供一种成膜设备，它可形成用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，它具有良好的质量，高的生产率，并提供这种结晶硅薄膜的形成方法。
本发明的另一个目的是提供一种成膜设备，它可形成用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，它具有良好的在基片上的质量，具有良好的粘性，并提供这种结晶硅薄膜的形成方法。
本发明的另一个目的是提供一种成膜设备，它可形成用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，它具有良好的质量和预定的晶体粒径，并提供这种结晶硅薄膜的形成方法。
本发明的另一个目的是提供一种成膜设备，它可形成具有良好质量的用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，并可形成层叠在该结晶硅薄膜上的电绝缘薄膜(如硅化合物薄膜)，更具体地说，它能以良好生产率形成这两种薄膜，同时明显地减少这些薄膜界面的缺陷。
本发明提供一种成膜设备，它包括形成硅薄膜的真空室，以在基片上形成结晶硅薄膜；为该真空室而装备的成膜装置，以在基片的目标表面上形成结晶硅薄膜的预制膜(pre-film)；为该真空室而装备的能量束辐照装置，以便用能量束辐照预制膜使之结晶。
在本发明的一个较好实例中，本发明提供一种成膜设备，它包括：
用于在基片上形成结晶硅薄膜的形成硅薄膜的真空室；
装备在所述真空室中的离子源，用于向所述基片发射离子束；
装备在该真空室中的成膜装置，以在所述基片的目标表面上在离子束发射区内形成结晶硅薄膜的预制膜；
为该真空室而装备的能量束辐照装置，以便用能量束辐照在能量束辐照区的所述预制膜使之结晶；以及
排列在所述真空室中的基片传送装置，用于将所述基片由离子束发射区移送至能量束辐照区，移送的方式使得在离子束发射区带有所述预制膜的基片表面能穿过能量束辐照区，同时使传送通过离子束发射区的基片的目标表面上形成预制膜。
本发明还提供一种结晶硅薄膜的形成方法，它包括制备具有形成硅薄膜的真空室以将结晶硅薄膜形成在基片上的成膜设备，该设备装备有成膜装置以将结晶硅薄膜的预制膜形成在基片的目标表面上，并装备有能量束辐照装置以用能量束辐照该预制膜使之结晶；将基片置于形成硅薄膜的真空室中，用成膜装置在基片的目标表面上形成结晶硅薄膜的预制膜；在形成预制膜后，在真空室中用从能量束辐照装置中发出的用于使该预制膜结晶的能量束辐照该预制膜，由该预制膜制得所需的结晶硅薄膜等步骤。
在本发明的一个较好实例中，本发明提供一种结晶硅薄膜的形成方法，它包括如下步骤：
制备具有形成硅薄膜的真空室以将结晶硅薄膜形成在基片上的成膜设备，所述设备装备有在所述真空室中的离子源，用于将离子束发射至所述基片；在所述真空室中的成膜装置，以在离子束发射区内将结晶硅薄膜的预制膜形成在基片的目标表面上；为所述真空室装备的能量束辐照装置，以在能量束辐照区用能量束辐照该预制膜使之结晶；以及置于所述真空室中的基片传送装置，用于将所述基片由所述离子束发射区输送至所述能量束辐照区；
将基片置于所述形成硅薄膜的真空室中；
由所述离子源向位于所述真空室中的基片目标表面发射离子束；
用所述成膜装置在所述真空室中在离子束发射区内在基片的目标表面上形成结晶硅薄膜的预制膜；
在所述真空室中用从所述能量束辐照装置中发出的用于使所述预制膜结晶的所述能量束辐照所述预制膜，由所述预制膜制得所需的结晶硅薄膜，同时用所述基片传送装置将所述基片由所述离子束发射区传送至所述能量束辐照区，传送的方式使得在离子束发射区上面带有所述预制膜的基片表面穿过能量束辐照区，同时在穿过离子束发射区的基片目标表面上形成预制薄膜。
根据本发明，形成结晶硅薄膜的预制膜并随后用能量束辐照该预制膜可在相同的真空室中连续进行。因此，可明显缩短传送基片所需的时间和加热基片所需的时间，从而可提高生产率。另外，由于可在同一的真空室中形成预制膜和用能量束辐照之，因此可以制得具有良好质量的结晶硅薄膜，同时可减少杂质和其它物质的粘附。
附图说明
下面结合附图详细描述本发明以展示本发明上述的和其它目的、特征和优点。
图1是本发明成膜设备的结构的一个例子的示意图；
图2是本发明成膜装备的结构的另一个例子的示意图；
图3是本发明成膜装备的结构的另一个例子的示意图；
图4是本发明成膜装备的结构的再一个例子的示意图。
具体实施方式
根据本发明的一个实例，成膜设备包括用于将结晶硅薄膜形成在基片上的形成硅薄膜的真空室；为该真空室而装备的成膜装置，以便将结晶硅薄膜的预制膜形成在基片的目标表面上；为该真空室而装备的能量束辐照装置，以便用能量束辐照该预制膜，使之结晶。
另外，根据本发明的一个实例，结晶硅薄膜的形成方法包括下列步骤：制备具有形成硅薄膜的真空室以将结晶硅薄膜形成在基片上的成膜设备，该设备装备有成膜装置以将结晶硅薄膜的预制膜形成在基片的目标表面上，并装备有能量束辐照装置以用能量束辐照该预制膜使之结晶；将基片置于形成硅薄膜的真空室中，用成膜装置在基片的目标表面上形成结晶硅薄膜的预制膜；在形成预制膜后，在真空室中用从能量束辐照装置中发出的用于使该预制膜结晶的能量束辐照该预制膜，由该预制膜制得所需的结晶硅薄膜。
根据上述成膜设备和结晶硅薄膜的形成方法，可在同一真空室中连续地形成结晶硅薄膜的预制膜并随后用能量束辐照该预制膜。因此，可明显缩短传送基片所需的时间和加热基片所需的时间，从而可提高生产率。另外，由于可在同一的真空室中形成预制膜和用能量束辐照之，因此可以制得具有良好质量的结晶硅薄膜，同时可减少杂质和其它物质的粘附。
成膜装置可将预制膜直接形成于基片的目标表面(即要形成结晶硅薄膜的表面)上，或将预制膜形成在上面已形成有电绝缘薄膜等的目标表面上。
成膜装置(换句话说，形成硅薄膜的真空室)可装有离子源以向基片发射离子束。在这种情况下，该成膜装置可以是等离子体CVD装置、阴极溅射装置等。
因此，可使用等离子体CVD法等将薄膜形成在基片上并将离子束发射至其上。通过适当地选择或控制离子类型、离子发射能量等，可获得例如表面激发、改进结晶性和控制结晶取向等效果，可促进硅原子的迁移，并可在较低的温度下在基片上形成具有良好结晶性的硅薄膜。在这种情况下，最好离子源发射的离子束的发射能约为100eV-1keV。
在上述方法中形成的预制膜可具有约10nm或更大的预定的晶体粒径，可降低随后为获得具有实际所需晶体粒径的结晶硅薄膜而要发射的能量束的能量密度。
可在形成预制膜前用离子束辐照基片，或在形成预制膜的初始阶段用离子束辐照之。在形成预制膜前发射离子束的情况下，在形成预制膜的过程中基片表面上可具有一层微晶核层，如此形成的预制膜可具有一层上层，它是无定形硅层。在形成预制膜的初始阶段发射离子束的情况下，可形成具有这种微晶核层的预制膜，或具有混合层以及是无定形硅层的上层的预制膜，上述混合层在与基片的界面上与基片相混合。
可使用离子源形成硅的微晶核层，这种离子源可发射发射能约为500eV-10keV的离子束。使用离子源可形成基片与预制膜的混合层，这种离子源可发射发射能约为2-10keV的离子束。
存在如此形成的混合层改进了基片与预制膜之间的粘合性，从而即使能量束辐照装置产生的能量束在薄膜中形成大的内部应力，也不会使薄膜发生局部或部分脱层。因此，可增加能量束的能量密度，扩大了可使用的能量密度范围。
在要形成微晶核层的情况下，可控制晶体粒径、微晶核的密度和微晶核层的厚度及其它参数，从而可控制将要形成的结晶硅薄膜的晶体粒径，晶粒边界的不规则性(凹陷和凸起)，因此最终形成的硅薄膜可具有良好的结晶性而无不合需求的粗糙度。
小的微晶核晶体粒径不仅允许使用高能量密度的能量束来进行结晶，也允许使用低能量密度的能量束。通过控制微晶核层中微晶核的粒径和其它参数，可使用选自高能量密度和低能量密度之间的宽范围的能量密度的能量束来生长晶体。因此，可用相对低的精度控制能量束的输出，并可使用低能量密度的能量束，从而可降低能量束辐照装置的成本，并延长该装置的寿命。
为了发射高能量密度的能量束，能量束辐照装置必须具有大的功率，从而增加了该装置的成本。同时，用大功率发射的能量束不稳定，从而难以顺利地生长均匀的晶体。相反，微晶核层的晶体粒径可保持在很小的数值，可使用在相对低的和稳定的能量密度输出区的能量束。因此，可以制得具有均匀的晶体粒径和光滑表面的结晶硅薄膜。
如上所述，无需在形成结晶硅薄膜的预制膜的整个过程中使用离子束进行辐照，可仅在上述过程的初始阶段或者该过程前进行辐照，从而在指定的区域(即预制膜和基片的界面上)形成微晶核层。在这种情况下，在随后的结晶过程中会生长具有均匀晶体粒径的硅晶体，从而能在最终制得的结晶硅薄膜的表面上减少缺陷(不规则性)。另外，该结晶方法使晶粒围绕微晶形成的晶核生长。因此，可减少整个薄膜的晶粒缺陷。
在装有离子束辐照装置的成膜设备中，可使用上述方法中的一种用离子束进行辐照。在这种情况下，最好选择并控制离子类型、离子发射能、剂量等以使预制膜的氢浓度约为3×1021pcs/cm3或更小。从而可抑制薄膜质量的下降(这种质量下降是由于在能量束辐照过程中氢膨胀造成的)，无需在用能量束辐照前进行脱氢处理(如加热)。这改进了生产率。
如果在CVD法(如等离子体CVD法)中成膜装置用薄膜材料的气体形成薄膜，则该薄膜材料的气体可以是含硅气体，如氢化硅气体(如甲硅烷(SiH4)气体或乙硅烷(Si2H6)气体)、氟化硅气体(如四氟化硅(SiF4)气体)或者是氯化硅气体(如四氯化硅(SiCl4)气体)，还可以是含这种气体的气体。除了上述含硅气体以外，还可使用含氢(H2)气体。
将氢气加入薄膜原料气体中可促进氢与硅原子和/或含硅气体分解释放的SiHn(n＝1，2或3)分子的反应。从而减少了硅-硅网络中的悬空键和薄膜中的缺陷。
对于离子束的离子类型，离子源可发射以下至少一种气体的离子，所述气体包括惰性气体(如氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Ar)或氙气(Xe))、活性气体(如氢气(H2)、氟气(F2)、氟化氢气体(HF))以及已被描述为薄膜原料气体的含硅气体。不使用质量数等于或大于氩气离子的质量数的惰性气体离子，如果这种离子会不利地影响要形成的薄膜，和/或会妨碍形成所需质量的预制膜的话，以免在随后用能量束辐照结晶过程中在薄膜中形成孔穴或缺陷。
上述用惰性气体离子进行辐照能控制结晶所需的物理激发。当使用气体(上述活性气体和含硅气体外还含有氢(H)和/或氟(F))时，在薄膜的无定形相中氢原子和/或氟原子与硅原子键合并气化。从而促进了硅的结晶，减少了硅-硅网络中的悬空键及薄膜中的缺陷。因此，在形成预制膜的过程中用离子束连续地辐照预制膜可形成具有改进的结晶性的硅预制膜。
能量束辐照装置通常具有能发射激光(激光束)的结构，如KrF激光器、XeCl激光器和Ar离子激光器。另外，它可以具有能发射电子束等的结构。
成膜设备可具有如此的结构，即为形成硅薄膜的真空室装备的成膜装置可以以预定的第一方向沿基片的目标表面的长度形成薄膜(在这种情况下，离子束辐照装置(如果安装的话)在第一方向沿目标表面的长度用离子束进行辐照)，即能量束辐照装置可在第一方向沿基片目标表面的长度用能量束进行辐照，而安装在形成硅薄膜的真空室中的基片传送装置以与所述第一方向交叉(通常垂直)的第二方向传送基片。
在形成结晶硅薄膜的上述方法中，成膜装置可具有如此结构，即以第一方向沿基片目标表面的长度形成预制膜，能量束辐照装置可具有如此结构，即它能以第一方向沿基片目标表面的长度用能量束进行辐照。通过操作成膜装置以第一方向在基片目标表而上连续地形成预制膜，并在沿与所述第一方向交叉的第二方向移动基片时，同时(concurrently)操作能量束辐照装置以用能量束辐照形成的预制膜，可连续地形成所需的结晶硅薄膜。
根据上述成膜设备和成膜方法，被能量束辐照装置的能量束所辐照的区域可具有正方的或线型的形状，它以第一方向沿基片的目标表面的长度延伸。
当用上述设备和上述成膜方法形成结晶硅薄膜时，基片传送装置在硅薄膜形成室中沿目标表面的第二方向移动基片，从而在基片的所需表面上形成预制膜的同时使预制膜通过能量束辐照区，使得结晶硅薄膜能连续地形成。由于采用这种方法，即使基片具有细长的形状，也可高产地在基片的目标表面上形成结晶硅薄膜。
本发明成膜设备可具有如此结构，即用于形成电绝缘薄膜(例如硅化合物薄膜如氧化硅薄膜、氮化硅薄膜等)的真空室通过一个对外气密的连接装置与形成硅薄膜的真空室相连。根据该结构，可在形成硅薄膜的真空室中形成结晶硅薄膜前和/或形成结晶硅薄膜以后，形成电绝缘薄膜，该绝缘薄膜与结晶硅薄膜一起在基片上形成层叠的结构，这种结构不具有或很少具有杂质等粘附在薄膜界面上形成的界面缺陷。由于可连续地形成结晶硅薄膜及形成电绝缘薄膜，无需脱离真空条件，因此可避免天然氧化物薄膜、水汽、有机物质等沉积在薄膜表面上，从而可获得具有优良器件特性的涂覆结晶硅薄膜的基片。
本发明成膜设备可装有预热真空室，以便在成膜前将基片预热至成膜温度。该预热真空室通过一个对外气密的连接装置与形成硅薄膜的真空室相连。同样，在外部传送基片的初级真空室也可通过一个对外气密的连接装置与形成硅薄膜的真空室相连。本发明成膜设备可仅装一个初级真空室以送入或取出基片，或可装有不同的初级真空室以分别送入或取出基片。
形成电绝缘薄膜的真空室、预热真空室以及一个或多个用于送入和/或取出基片的初级真空室可直接与形成硅薄膜的真空室相连，或者可通过另一个真空室与其相连。总而言之，与形成硅薄膜的真空室的连接需要是对外气密的。
上述真空室可分别通过能气密封闭相应的真空室的阀门连接在一起，并可以以例如用于送入基片的初级真空室、预热的真空室、形成硅薄膜的真空室、形成电绝缘薄膜的真空室以及用于取出基片的真空室的次序排列。在这种情况下，基片被基片传输装置连续地送入上述各真空室，在基片上形成结晶硅薄膜并在该薄膜上层叠电绝缘薄膜。各个真空室可通过阀门与装有基片传输机器人的用于传输基片的真空室相连。在这种情况下，通过基片传输真空室将基片连续地传输至各个真空室中以形成结晶硅薄膜和电绝缘薄膜。基片传输真空室的数量可为二个或多个。
下面将参照附图说明本发明较好的实例。
图1是本发明成膜设备的结构示意图，它可以实施本发明方法。该设备具有基片传输真空室C1用于传输基片，它与用于从外部输入基片的初级真空室C2相连；用于预热基片的预热真空室C3；用于形成结晶硅薄膜的第一成膜真空室(形成硅薄膜的真空室)C4；用于形成电绝缘薄膜的第二成膜真空室(形成电绝缘薄膜的真空室)C5；以及分别通过阀门V2、V3、V4、V5和V6取出基片的初级真空室C6。阀门V1和V7分别位于基片入口真空室C2和外部之间，以及位于基片出口真空室C6和外部之间。
尽管图中未表示，但是这些真空室分别与各自的抽真空装置或一个共同的抽真空装置相连。基片传输机器人1A置于基片传输真空室C1中。加热装置3A置于预热真空室C3中以将基片加热至成膜温度。等离子体CVD装置、离子源和激光辐照装置被置于第一成膜真空室C4中。尽管图1中未表示，这些装置与成膜设备中的装置相同(将在后面参照图4进行具体描述)，仅对基片入口段、基片出口段等进行了某些改进。尽管图中未表示，但是本实例中的第二成膜真空室C5装有等离子体CVD装置。
为了用图1所示的成膜设备在基片上形成结晶硅薄膜和电绝缘薄膜，抽真空装置从真空室C1、C3、C4和C5中抽去空气或气体并将其中的压力降至预定的值。先将基片通过打开的阀门V1输入初级真空室C2中。随后关闭阀门V1，从真空室C2中抽气，使压力与真空室C1中的压力基本相当。接着，打开阀门V2和V3，利用基片传输真空室C1中的基片传输机器人1A将基片输入预热真空室C3中。随后关闭阀门V2和V3。在真空室C3中，加热装置3A将基片的温度加热至等于或接近于预定的成膜温度。接着，打开阀门V3和V4，基片传输机器人1A将基片由真空室C3送入第一成膜真空室C4。关闭阀门V3和V4后，在真空室C4中通过等离子体CVD和离子束辐照在基片上形成结晶硅薄膜的预制膜。随后，用激光束辐照使预制膜结晶，形成结晶硅薄膜。接着打开阀门V4和V5，基片传输机器人1A将基片由真空室C4送入第二成膜真空室C5。关闭阀门V4和V5后，在真空室C5中用等离子体CVD在结晶硅薄膜上形成薄膜(如氧化硅薄膜)。随后，打开阀门V5和V6，基片传输机器人1A将涂覆结晶硅薄膜和例如氧化硅薄膜的基片传输至基片出口初级真空室C6中，该真空室已抽真空，其压力与真空室C1的压力基本相当。接着关闭阀门V5和V6，将真空室C6回复至大气压力，从打开的阀门V7中取出基片。最后关闭阀门V7。
根据本成膜设备，基片的预热、结晶硅薄膜预制膜的形成、用激光束结晶和形成电绝缘薄膜可相继地进行，无需将基片暴露在大气中。因此，避免了天然氧化物薄膜、水汽和有机物质在薄膜界面上的沉积，从而能够制得涂覆结晶硅薄膜等并具有良好器件性能的基片。由于这些步骤可连续地进行，可明显缩短传输和加热基片所需的时间，从而改进了生产率。尤其可在同一真空室中形成结晶硅薄膜的预制膜并随后用能量束进行辐照，进一步改进了生产率。
图2是本发明成膜设备的另一个例子的示意结构。本设备具有两个真空室C11和C12用来传输基片。真空室C11分别通过阀门V9、V10和V11与用于传输基片的初级真空室C2、预热真空室C3和用于形成结晶硅薄膜的第一成膜真空室C4相连。用于传输基片的真空室C12分别通过阀门V13和V14与用于形成电绝缘薄膜的第二成膜真空室C5和用于传输基片的初级真空室C6相连。基片传输真空室C11和C12通过阀门V12连接在一起。阀门V8和V15分别位于基片入口初级真空室C2和外部之间，以及基片出口初级真空室C6和外部之间。
图2中各个真空室与图1中相应的真空室基本相同。位于真空室C11和C12中用于传输基片的机器人分别用标号11A和12A表示。
为了用图2所示的成膜设备在基片上形成结晶硅薄膜和其它薄膜，使基片相继地通过基片入口初级真空室C2、基片传输真空室C11、预热真空室C3、基片传输真空室C11、第一成膜真空室C4、基片传输真空室C11、基片传输真空室C12、第二成膜真空室C5、基片传输真空室C12和基片出口初级真空室C6。结果与图1所示的设备相类似，可连续地进行基片的预热、形成结晶硅薄膜的预制膜、用激光束使其结晶和形成绝缘薄膜。
图3是本发明成膜设备的另一个例子的示意结构。本成膜设备包括基片入口初级真空室C2、预热真空室C3、用于形成结晶硅薄膜的第一成膜真空室C4、用于形成电绝缘薄膜的第二成膜真空室C5和基片出口初级真空室C6，它们通过阀门V17、V18、V19和V20连接在一起。阀门V16和V21分别位于基片入口初级真空室C2和外部之间，和位于基片出口初级真空室C6和外部之间。各个真空室与图1所示设备中的真空室基本相似。
为了用图3所示的设备在基片上形成结晶硅薄膜和其它薄膜，使基片相继地通过基片入口初级真空室C2、预热真空室C3、第一成膜真空室C4、第二成膜真空室C5和基片出口初级真空室C6。从而与图1所示的设备相类似，可相继地进行基片的预热、形成结晶硅薄膜的预制膜、用激光束使其结晶和形成绝缘薄膜。
图4是本发明成膜设备的另一个实例的示意结构。本设备包括与抽真空装置18相连的等离子体产生室C和原料气体供应段12。所述原料气体供应段12包括环状的喷气管121，它向位于真空室C中具有圆形或矩形截面的圆柱形电极14a中的较下部区域供应薄膜原料气体，该供应段12还包括原料气体源、物质流量控制器等。但是这些装置中仅有环状喷气管121示于附图中。在真空室C中，装有一个基片支承装置11，它被引导装置(图中未显示)所引导并能用驱动装置100使之水平地往复运动，使得基片10以图中箭头α的方向移动。在真空室C中，部件11位于用以加热基片的加热器9上面。尽管不限于下列结构，驱动装置10-般包括带传输装置101，它连续地排列在等离子体制造室C的下部，并在各自具有水平的细长的形状的左传输室和右传输室CL和CR之间延伸。驱动装置100还包括位于真空室外部用于向前和向后驱动带传输装置101的马达M。带传输装置101由分别位于真空室CL和CR中的滑轮P1和P2、以及绕在这些滑轮上的带BL组成。带BL与支承部件11相连，滑轮P1与马达M相连。
具有圆形或矩形截面的圆柱形电极14a位于与基片10的成膜区外沿相对的位置，所述基片10支承在等离子体产生区C中的支承部件11上。电极14a通过匹配装置16与高频能源17相连。用于施加磁场以稳定地保持等离子体的磁体100b安装在等离子体产生室C周围对应于电极14a的位置。离子源12与支承部件11对置，使电极14a位于它们之间。离子源2与离子源气体供应段1相连，并通过匹配装置3与高频能源电气相连，用于由气体产生等离子体。磁体100a位于离子源2周围，它施加磁场以稳定地保持等离子体。气体供应段1同样包括气体源等(图中未表示)。离子源2具有由三个电极(即加速电极、减速电极和接地电极，它们以所述次序从离子源的内侧向外排列)形成的离子束产生电极体系21a以产生离子。加速电源5和减速电源6连接于离子束产生电极体系21a和离子源2之间。虽然上述激发离子源2的方法是高频型的，但是也可使用其它类型的激发方法，如灯丝型或微波型。尽管说明的电极体系21a是由三组电极组成的，但是它也可以由一组、两组、四组或更多组电极组成。电极14a和离子源2的尺寸可使基片10的目标表面在沿第一方向(在本实例中为与基片传输方向α垂直的宽度方向)的长度上成膜并用离子束辐照。
在等离子体产生室C的外面排列着激光源19和光学系统20，光学系统20用于决定由激光源19发射的激光(激光束)的辐照范围。在电极14a和等离子体产生室C的壁之间放置有镜子22，用于将激光反射至预定的位置。在镜子22和光学系统20之间置有石英窗21。镜子20和激光L的光路覆盖有保护板23，用于拦截等离子体和离子束。在图4中，G代表在两个传输真空室CL和CR中的阀门，用于加入或取出基片。
下面将描述用上述设备形成结晶硅薄膜的方法。
首先，开动抽真空装置18将等离子体产生室C中的压力降至预定的值。原料气体供应段12将含有含硅气体和含氢气体的原料气体供给等离子体产生室C，高频能源17通过匹配装置16向电极14a供应高频能源。从而使引入真空室C中的气体变成等离子体。因此，在图4的位置13形成等离子体，该位置与支承在等离子体产生室C中支承部件11上的基片目标表面的外沿相邻。
用这种方法，基片10暴露在等离子体中以在其表面上沉积薄膜，并以下述方法用离子束辐照该成膜表面。由离子源气体供应段1将离子的原料气体引入离子源2中，通过匹配装置3从能源4向其施加高频能源。从而在离子源内的位置8产生等离子体，从电源5和6向离子束产生电极体系21a施加适当的电压，从而由等离子体8产生发射能为100eV-10keV的离子束，通过电极14a中的开口使离子束施加在基片10上。离子束的离子是由惰性气体、活性气体和含硅气体中的至少一种气体构成的。如果在等离子体产生室C和离子源2中使用相同的原料气体，那么由原料气体供应段12供给给等离子体产生室C的气体或由气体供应段1供给给离子源2的气体也可供另一部分使用。
在上述步骤中，驱动装置100沿长度方向α移动支承在支承装置11上的基片10，使得基片10的整个目标表面通过在电极14a下面的成膜位置。在该成膜位置，基片10与支承该基片的支承装置11一起位于加热器9上面。从而在基片10的整个表面上从长度方向的一端开始连续地形成结晶硅预制膜。
在移动基片的同时，激光源19将激光(激光束)L通过光学系统20、石英窗21和镜子22施加至基片10上。因此，激光(激光束)连续地施加至基片10上已经形成有预制膜的部分上，从而使预制膜结晶。
如上所述，等离子体CVD装置、离子源和激光辐照装置被置于一个真空室C中，并装有可水平地移动基片10的装置。因此，即使基片10具有细长的形状，也可在基片的一端和随后部分上相继地形成预制膜并使其结晶，结果可高生产率地形成结晶硅薄膜。另外，可在同一等离子体产生室C中形成预制膜并使其结晶。因此，在减少杂质等粘附的同时了形成质量良好的结晶硅薄膜。
在用等离子体CVD法等在基片上形成薄膜并用离子束对其进行辐照的方法中，可适当地选择或控制离子种类、离子发射能量等，从而可获得例如表面激发、改进结晶度和控制结晶方向的效果，并可促进硅原子的迁移，从而可在相对低的温度下在基片上形成具有良好结晶性的预制膜。因此，可以降低用于形成具有实际所需的晶粒粒径的结晶硅薄膜而发射的能量束的能量密度。
用离子束辐照可降低预制膜中的氢浓度，并可省去激光(激光束)辐照前的脱氢步骤，改进了生产率。
使用含有氢气的气体作为等离子体原料气体可减少硅薄膜中的悬空键，从而无需氢-等离子体处理就可形成很少有缺陷的预制膜，因此能形成很少具有缺陷的结晶硅薄膜。
代替并行地用等离子体CVD法在基片上形成薄膜，并用离子束辐照的方法，可在形成薄膜前先用离子束进行辐照，随后成膜以形成预制膜，该预制膜具有在与基片的界面上的微晶核层和包含无定形硅层的上层。在这种情况下，通过沿其长度方向移动基片10用离子束辐照了整个基片10，随后使基片10回复至初始位置。随后，再次沿长度方向移动基片10在整个基片上形成薄膜，用激光同时地并连续地辐照涂覆薄膜的区域进行结晶。
可在预制膜形成前至预制膜形成的初始阶段这一时期内发射离子束，或者仅在预制膜形成的初始阶段发射离子束，随后仅进行预制膜的制备而不发射离子束。在这种情况下，该预制膜具有硅微晶核层(在与基片的界面上)和由无定形硅层构成的上层。在另一种结构中，预制膜具有含基片材料的混合层(位于与基片的界面上)及由无定形硅层构成的上层。此外，预制膜可具有与前面层相似的混合层和微晶核层，以及位于其上面的无定形硅层。在这种情况下，通过沿长度方向移动基片在基片的整个表面上形成薄膜并进行离子束辐照，接着中止离子束辐照，将基片回复至初始位置。随后沿长度方向移动基片在基片的整个表面上形成薄膜，用激光(激光束)连续地辐照涂覆薄膜的区域同时地进行结晶。
在上述方法中，不是在整个形成预制膜的过程中均进行离子束辐照的，仅在成膜的初始阶段和/或成膜前进行辐照，以便将硅微晶核层限定在预制膜与基片之间的界面上。这种方法可减少最终成品结晶硅薄膜表面上的缺陷(不规则度)，并可减少晶粒中的缺陷。
通过控制微晶核层的晶粒粒径等，可在低能量密度至高能量密度的宽范围内选择能生长良好晶体的能量束。因此，无需将能量束的输出精度提至很高的程度，从而可降低设备成本，并可增加设备寿命。
由于可使用稳定的低能量密度的能量束进行结晶，因此可低成本地制得具有稳定质量的结晶硅薄膜。
在与基片10的界面上形成的混合层可改进预制膜与基片10之间的粘性，从而即使后来在激光结晶步骤中用能量束辐照在薄膜中产生大的应力，也可减少薄膜的脱层和磨损。
尽管不限于下列结构，图1和图2中每个设备的第一成膜真空室C4对应于这种结构，即用气密壁代替图4左侧的传输真空室CL的阀门G，用图1设备中的阀门V4或图2设备中的阀门V11代替右侧的传输真空室CR的阀门G。尽管不受此限制，但是在图3成膜设备中的第一成膜真空室C4对应于这种结构，即用图3的阀门V18代替图4成膜设备左侧的传输室CR的阀门G，用图3的阀门G19代替图4左侧的传输室CL的阀门G。
在参照图4描述的成膜设备中，由激光源19、光学系统20等形成的能量束辐照装置仅被置于一个固定的位置。但是，它可以相对于基片移动。另外，也可使用两个或多个能量束辐照装置。
高频电极14a可以具有与上述的圆柱形不同的形状。
下面将描述用图1所示的成膜设备连续地形成结晶硅薄膜和氧化硅薄膜的实际例子。另外，将描述一个比较例，其中用现有技术中的平行板等离子体CVD装置(电容偶合型等离子体CVD装置)形成无定形硅薄膜，使该无定形硅薄膜脱氢并用激光辐照结晶，形成结晶硅薄膜，再用另一个平行板等离子体CVD装置在该结晶硅薄膜上形成氧化硅薄膜。
在下列各个实施例中，分别在各个新基片上成膜50次。
在下列实施例中，用透射电子显微镜(TEM)测量微晶核层的层厚(即含微晶核的范围)，根据激光Raman光谱分析的峰值位置及扫描电子显微镜(SEM)的观察结果决定结晶硅薄膜的晶粒粒径。用扫描电子显微镜观察测定微晶核层中微晶核的密度。用SIMS(二次离子质谱仪)进行杂质分析来评价最终制得的结晶硅薄膜和氧化硅薄膜的边界清洁度。通过测量空穴迁移率来确定电气特性。
实施例
使用图1所示设备。在第一成膜真空室C4中将基片置于薄膜原料气体的等离子体中在基片上形成薄膜。在该成膜过程的初始阶段，用离子束辐照目标表面，在基片上形成结晶硅薄膜的预制膜，并通过激光束辐照使该预制膜结晶。在不改变真空条件的情况下将该涂覆结晶硅薄膜的基片载入第二成膜真空室中，在真空室C5中用等离子体CVD法在结晶硅薄膜上形成氧化硅薄膜。
形成结晶硅薄膜的预制膜的条件
    基片                     非碱玻璃基片(300×400mm)
    薄膜原料气体             SiH4 50％
                             H2   50％
    用于激发的高频           13.56MHz，    1.5kW
    离子源
        离子种类             H和SiHx的正离子
        离子发射能           1keV
    离子辐照剂量                 1×1014-1×1015pcs/cm2
成膜压力                         1×10-4乇
成膜温度                         300℃
离子辐照层的厚度                 30nm
层的总厚度                       50nm结晶条件
激光                             准分子激光器(XeCl)，波长＝308nm
能量密度                         100mJ/cm2-400mJ/cm2
操作温度                         300℃形成氧化硅薄膜的条件(连续操作)
薄膜原料气体                     SiH4   20％
                                 N2O    80
用于激发的高频                   13.56MHz，2kW
成膜压力                         1×10-3乇
成膜温度                         300℃
膜厚                             40nm
根据上述实施例，在激光退火前，在离基片表面的30nm范围内存在包含在结晶硅薄膜的预制膜中的微晶核，这些微晶核的密度约为1.0×1010pcs/cm2。在上层中未发现微晶核，并确认上层是无定形硅层。
对于经激光退火的薄膜，激光的能量密度在100mJ/cm2-400mJ/cm2范围内时，可测得结晶硅的峰(Raman位移＝520cm-1)。由SEM观察结果可确认形成了粒径约为150nm或更大的晶体。在能量密度为230-320mJ/cm2的范围内时，可确定粒径为300nm的晶体。在能量密度为200-300mJ/cm2的范围内时，520cm-1 Raman位移的半宽度为6cm-1，可理解为制得的硅薄膜高度有序并具有良好的结晶度。在单晶体中，520cm-1Raman位移的半宽度为5cm-1。如果激光的能量密度为350mJ/cm2或更高，晶体粒径则为300nm或更小，但不会发生由于激光辐照而产生的脱层或磨损的问题。
成膜50次所需的时间为500分钟。通过SIMS的杂质分析评价最终制得的结晶硅薄膜和氧化硅薄膜的边界清洁度，发现在薄膜中碳杂质浓度为1×1017pcs/cm3，在两层薄膜之间的界面上的碳杂质浓度为2×1017pcs/cm3。空穴迁移率为50cm2/V·s。
比较例
在下列条件下，用常规的平行板等离子体CVD设备形成无定形硅薄膜，随后脱氢并结晶。另外，用常规的平行板等离子体CVD设备在结晶硅薄膜上形成氧化硅薄膜。
无定形硅薄膜的成膜条件
    基片                       非碱玻璃基片(300×400mm)
    薄膜原料气体               SiH4     50％
                               H2      50％
    用于激发的高频             13.56MHz，500W
    成膜压力                   1×10-1乇
    成膜温度                   300℃
    膜厚                       50nm
    脱氢条件
    操作温度                   450℃
    操作时间                   2小时
    压力                       大气压力，氮气气氛
结晶条件
    激光                       波长为308nm的准分子激光器(XeCl)
    能量密度                   100-400mJ/cm2
    加工温度                   300℃
形成氧化硅薄膜的条件(暴露在大气中以后进行加工)
    薄膜原料气体               SiH4   20％
                               N2O    80％
    用于激发的高频             13.56MHz，1kW
    成膜压力                   1×10-1乇
    成膜温度                   300℃
    膜厚                       40nm
在上面比较例中，激光退火前该薄膜完全是无定形薄膜，未发现其中有微晶核。在激光退火后的薄膜中，在150-400mJ/cm2的激光能量密度范围内，可测得结晶硅的峰(Raman位移＝520cm-1)。由SEM的观察结果可确认，仅在220-270mJ/cm2的窄的能量密度范围内才形成粒径约250nm或更大的晶体。仅用240mJ/cm2的能量密度才能确定得到粒径为300nm或更大的晶体。在250-270mJ/cm2的激光能量密度范围内，520cm-1Raman位移的半宽度为6cm-1。在350-400mJ/cm2的激光能量密度范围内，发现由于激光辐照而造成的薄膜脱层。
成膜50次所需的时间为1000分钟。用SIMS通过杂质分析评价最终制得的结晶硅薄膜和氧化硅薄膜的边界清洁度，发现在薄膜中碳杂质浓度为1×1017pcs/cm3，但在两层薄膜的边界上的碳杂质浓度为5×1018pcs/cm3。空穴迁移率为20cm2/V·s。
由上述实施例和比较例的结果可见，使用本发明设备的实施例可提供预定的晶粒粒径，可以以比比较例更宽的范围选择用于结晶的激光的能量密度，在所述比较例中用常规平行板等离子体CVD设备形成无定形硅薄膜，随后通过激光辐照使薄膜结晶。另外，根据前面的实施例，即使用高能量密度的激光束辐照也未产生薄膜的脱层或磨损。
根据实施例，可在基片上由其一端开始相继地在其各部分形成结晶硅薄膜的预制膜和进行激光退火，并可在不改变真空条件的情况下在所述薄膜上形成氧化硅薄膜。另外，在激光退火前不需要脱氢。因此，与比较例相比可明显缩短成膜50次所需的时间。可以理解与比较例相比实施例能使涂覆薄膜的基片在结晶硅薄膜和氧化硅薄膜之间的边界上具有高的清洁度，因此具有良好的电气特性。
尽管对本发明进行了详细的说明和描述，但是显然应理解这仅是说明性和例举性的而非限定性的，本发明的精神和范围仅受所附权利要求的限定。

Claims (20)

1.一种成膜设备，它包括：
用于在基片上形成结晶硅薄膜的形成硅薄膜的真空室；
装备在所述真空室中的离子源，用于向所述基片发射离子束；
装备在该真空室中的成膜装置，以在所述基片的目标表面上在离子束发射区内形成结晶硅薄膜的预制膜；
为该真空室而装备的能量束辐照装置，以便用能量束辐照在能量束辐照区的所述预制膜使之结晶；以及
排列在所述真空室中的基片传送装置，用于将所述基片由离子束发射区移送至能量束辐照区，移送的方式使得在离子束发射区带有所述预制膜的基片表面能穿过能量束辐照区，同时使传送通过离子束发射区的基片的目标表面上形成预制膜。
2.如权利要求1所述的成膜设备，其特征在于所述成膜装置包括用于将所述预制膜形成于所述基片上的等离子体化学气相沉积装置。
3.如权利要求2所述的成膜设备，其特征在于所述能量束辐照装置是激光辐照装置，它安装在所述成膜装置旁。
4.如权利要求3所述的成膜设备，其特征在于所述能量束辐照装置包括：
置于所述等离子体化学气相沉积装置的等离子体产生室外的激光光源；
用于决定所述激光源发射的激光的辐照范围的光学系统；
形成于所述等离子体产生室室壁上的窗，用于将来自所述光学系统的激光透射至所述等离子体产生室；
用于用来自所述窗的激光辐照所述基片的激光通道，它包括一个反射镜并覆盖一块截断等离子体和离子束的保护板。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的成膜设备，其特征在于所述离子源可发射发射能为100eV-1keV的离子束。
6.如权利要求1-4中任何一项所述的成膜设备，其特征在于所述离子源可发射发射能为500eV-10keV的离子束。
7.如权利要求6所述的成膜设备，其特征在于所述离子源可发射发射能为2keV-10keV的离子束。
8.如权利要求1-4中任何一项所述的成膜设备，其特征在于用以在所述基片的目标表面上形成电绝缘薄膜的形成电绝缘薄膜的真空室通过一个对外气密的连接装置与所述形成硅薄膜的真空室相连。
9.如权利要求1-4中任何一项所述的成膜设备，其特征在于用以在成膜前预热基片的预热真空室通过一个对外气密的连接装置与所述形成硅薄膜的真空室相连。
10.如权利要求1-4中任何一项所述的成膜设备，其特征在于能与外部传输基片的初级真空室通过一个对外气密的连接装置与所述形成硅薄膜的真空室相连。
11.一种结晶硅薄膜的形成方法，它包括如下步骤：
制备具有形成硅薄膜的真空室以将结晶硅薄膜形成在基片上的成膜设备，所述设备装备有在所述真空室中的离子源，用于将离子束发射至所述基片；在所述真空室中的成膜装置，以在离子束发射区内将结晶硅薄膜的预制膜形成在基片的目标表面上；为所述真空室装备的能量束辐照装置，以在能量束辐照区用能量束辐照该预制膜使之结晶；以及置于所述真空室中的基片传送装置，用于将所述基片由所述离子束发射区输送至所述能量束辐照区；
将基片置于所述形成硅薄膜的真空室中；
由所述离子源向位于所述真空室中的基片目标表面发射离子束；
用所述成膜装置在所述真空室中在离子束发射区内在基片的目标表面上形成结晶硅薄膜的预制膜；
在所述真空室中用从所述能量束辐照装置中发出的用于使所述预制膜结晶的所述能量束辐照所述预制膜，由所述预制膜制得所需的结晶硅薄膜，同时用所述基片传送装置将所述基片由所述离子束发射区传送至所述能量束辐照区，传送的方式使得在离子束发射区上面带有所述预制膜的基片表面穿过能量束辐照区，同时在穿过离子束发射区的基片目标表面上形成预制薄膜。
12.如权利要求11所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于
在用所述成膜装置形成所述预制膜的步骤中，向所述基片的目标表面发射离子束同时在该表面上形成所述预制膜。
13.如权利要求11所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于
在用所述成膜装置形成所述预制膜的步骤前，从所述离子源向所述基片的目标表面发射离子束，并且所述预制膜形成在经离子束辐照的目标表面上。
14.如权利要求11所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于
在用所述成膜装置形成所述预制膜的步骤的初始阶段，从所述离子源向所述基片的目标表面发射离子束。
15.如权利要求11所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于
在用所述成膜装置形成所述预制膜的步骤前至所述预制膜形成步骤的初始阶段这一段时间内，从所述离子源向所述基片的目标表面发射离子束。
16.如权利要求11-15中任何一项所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于所述离子束的发射能为100eV-1keV。
17.如权利要求11-15中任何一项所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于所述离子束的发射能为500eV-10keV。
18.如权利要求17所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于所述离子束的发射能为2keV-10keV。
19.如权利要求11-15中任何一项所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于所述成膜装置使用的结构能用等离子体化学气相沉积法形成薄膜。
20.如权利要求19所述的结晶硅薄膜的形成方法，其特征在于用所述等离子体化学气相沉积法形成预制膜时使用含硅气体和含氢气体的混合气体作为形成薄膜的气体。
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