CN1273641C - 一种高速生长硅基薄膜的低成本方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生长硅基薄膜，尤其是在低温衬底上高速生长优质硅基薄膜的低成本技术，属于薄膜光伏电池与薄膜晶体管等光电子器件技术领域。本发明是克服常规生长硅基薄膜方法中或生长速率慢、或衬底温度高、或离子轰击严重等缺陷，整合其优点。方案是，硅烷等反应气体先经过热丝加热，再输运到施加超高频功率信号电极之间，只需施加较小功率的甚高频信号，使硅烷易充分分解，通过化学气相反应沉积成膜，降低了离子轰击，改善薄膜质量。本发明的有益效果：衬底温度低，便于采用玻璃、塑料等廉价衬底；离子轰击小，薄膜生长速度快(＞50A/s)、性能好；反应气体分解充分，节省原材料，提高生产效率，降低了生产成本。

Description

一种高速生长硅基薄膜的低成本方法
技术领域
本发明涉及在衬底上生长硅基薄膜(非晶硅、非晶硅锗、非晶硅碳、非晶硅氮；微晶硅、微晶硅锗；多晶硅等薄膜)的方法，尤其是涉及一种在衬底上使用热催化甚高频等离子体增强化学气相沉积(Cat-VHF-PECVD)技术高速生长硅基薄膜的低成本方法，属于薄膜光伏电池与薄膜晶体管等光电子器件技术领域。
技术背景
生长低成本硅基薄膜的常规方法有射频等离子增强化学气相沉积(rf-PECVD)技术，光(Photo)-CVD技术，快速热(RT)-CVD技术，溅射技术等。为了提高生长速率，从而增加产率，降低成本，又发展了甚高频等离子增强化学气相沉积(VHF-PECVD)技术和热丝(HW-CVD)技术。
以上技术是通过辉光放电方法、或者热分解方法使硅烷等气体分解并进行化学气相反应沉积在衬底上生成薄膜。上述技术已被广泛用于薄膜光伏电池和薄膜晶体管(TFT)有源寻址液晶显示领域。特别是非晶硅/微晶硅叠层薄膜太阳电池，因能扩展吸收太阳光谱的范围，从而提高这类太阳电池的转换效率，而被国际上广泛研究和应用。
目前上述技术存在的问题分别是：rf-PECVD，Photo-CVD，溅射技术等生长速率太慢，一般非晶硅基薄膜生长速率＜3/s，微晶硅薄膜生长速率＜0.3/s。而非晶硅基太阳电池要求其薄膜厚度约在0.5Λm，微晶硅太阳电池薄膜厚度约2～3Λm，因而生长一块非晶硅太阳电池的时间约一个小时，而生长一块微晶硅电池的时间需要20多小时。RT-CVD技术虽然生长速率较快(5Λm/min.)，但是长膜需要较高的衬底温度(＞1000℃)，不能采用玻璃、塑料等廉价衬底，从而不利于降低成本。VHF-PECVD技术和HW-CVD技术是目前认为有发展前景的高速生长技术。VHF-PECVD技术的优点是便于低温高速生长；HW-CVD技术的优点是没有离子轰击，而且能使反应气体充分分解，有利于节省原材料。但是也存在一些问题。VHF-PECVD技术的主要问题是离子轰击造成膜中缺陷，所形成的薄膜质量不高。HW-CVD技术的主要问题是热丝温度高(＞1500℃)，由于热丝距离衬底较近，在热丝的烘烤下，使衬底温度在原来设定的基础上不断升高，因而使衬底温度不易控制，同时也不利于低温沉积。
发明内容
本发明的目的在于解决VHF-PECVD技术和HW-CVD技术存在的问题：设计一种在玻璃、塑料等廉价衬底上低温高速生长硅基薄膜(非晶硅、非晶硅锗、非晶硅碳、非晶硅氮；微晶硅、微晶硅锗；多晶硅等薄膜)的技术。
本发明的技术方案是，采用热催化甚高频等离子体增强化学气相沉积(Cat-VHF-PECVD)技术：即整合甚高频等离子增强化学气相沉积(VHF-PECVD)技术和热丝(HW-CVD)技术，将这两种技术结合在一起，通过设计反应室内电极、热丝、气路等的结构和高频信号馈入方式，实现在低温衬底上高速生长度优质硅基薄膜。
其工作原理是，硅烷等反应气体先经过加热的钨丝加热，再输运到施加超高频功率信号的两平行板电极之间，使硅烷等气体分解，通过化学气相反应沉积成膜置于阴极的玻璃、塑料等衬底上。由于反应气体预先通过了加热，因此只需施加较小功率的甚高频信号即能使反应气体充分分解，并进行化学气相反应沉积成膜，如此降低了离子轰击，有利于改善薄膜质量。而且反应气体分解充分，有利于节省原材料。
本发明的有益效果：该技术整合了VHF-PECVD和HW-CVD两种技术的优点，具有衬底温度低(＜200℃)、离子轰击小，反应气体分解充分，薄膜生长速度快(＞50A/s)、薄膜性能好，节省原材料，有利于提高生产效率，降低生产成本等优点。另外，由于成膜需要的衬底温度低，可以生长与非晶硅光伏电池工艺兼容的低温微晶硅薄膜材料和各种硅基薄膜；具有易晶化、低氢含量等特点，可实现宽谱域非晶硅/微晶硅薄膜光伏电池连续化生产，以利于提高效率和稳定性，并降低成本。
附图说明
图1：超高频等离子增强化学气相沉积(VHF-PECVD)工作原理示意图
图2：热丝化学气相沉积(HW-CVD)工作原理示意图
图3：本发明—热催化甚高频等离子增强化学气相沉积技术(Cat-VHF-PECVD)工作原理示意图
图中1.电极  2.玻璃  3.薄膜  4.电极  5.热丝  6.气箱
具体实施方式
图1是VHF-PECVD工作原理示意图，在两平行板电极1和4之间施加超高频功率信号，使硅烷等气体分解，通过化学气相反应沉积成膜，置于阴极的玻璃、塑料等衬底上。主要问题是离子轰击造成膜中缺陷，所形成的薄膜质量不高。图2示是HW-CVD工作原理示意图，HW-CVD技术的主要问题是热丝温度高(＞1500℃)，由于热丝距离衬底较近，在热丝的烘烤下，使衬底温度在原来设定的基础上不断升高，因而使衬底温度不易控制，同时也不利于低温沉积。图3是本发明的Cat-VHF-PECVD工作原理示意图，在两平行板电极1和4之间施加超高频功率信号，信号的频率在13.56～150MHZ之间，连续可调；电极4之前设置热丝5，热丝是钨、钽金属丝和碳丝，排成栅网状，热丝温度室温～1000℃，连续可调；热丝5之前设置气箱6(气箱上的气孔直径是1mm，排成矩形矩阵方式，边缘气孔直径是2mm)；硅烷(SIH4)等反应气体先经过气箱6和加热丝5加热，再输运到施加超高频功率信号的两平行板电极1、4之间，使硅烷等气体分解，通过化学气相反应沉积成膜3于电极阴极的玻璃、塑料等衬底2上，衬底是玻璃、塑料等，温度可以较低，＜200℃；反应气体是以硅基烷类气体为主体，辅以掺杂气体，(掺杂气体是锗烷、甲烷、硼烷、磷烷、二氧化碳、氨气等)；平行板电极的材料是不锈钢；硅基薄膜包括非晶硅、非晶硅锗、非晶硅碳、非晶硅氮，纳米硅、纳米硅锗，微晶硅、微晶硅锗，多晶硅薄膜。

Claims (8)

1.一种高速生长硅基薄膜的低成本方法，包括热催化和甚高频等离子增强化学气相沉积技术，其特征在于：该方法整合了热催化和甚高频等离子增强化学气相沉积技术，在低温衬底上高速生长优质硅基薄膜，该方法使用两平行板电极(1、4)、平行板电极前面的热丝(5)以及热丝前面的气箱(6)，在平行板电极阴极(1)上设置衬底(2)；反应气体从气箱喷出，先经过热丝加热，再输运到施加超高频功率信号的两平行板电极之间，使反应气体分解，通过化学气相反应成膜于平行板电极阴极的衬底上。
2.根据权利要求1所述的高速生长硅基薄膜的低成本方法，其特征在于：所述的两平行板电极(1、4)之间施加超高频功率信号的频率在13.56～150MHZ之间，连续可调。
3.根据权利要求1所述的高速生长硅基薄膜的低成本方法，其特征在于：所述的衬底是玻璃、塑料，温度＜200℃。
4.根据权利要求1所述高速生长硅基薄膜的低成本方法，其特征在于：所述的热丝是钨、钽丝或碳丝，排成栅网状，热丝温度从室温～1000℃，连续可调。
5.根据权利要求1所述的高速生长硅基薄膜的低成本方法，其特征在于：所述的气箱上的气孔直径是1mm，排成矩形矩阵方式，边缘气孔直径是2mm。
6.根据权利要求1所述的高速生长硅基薄膜的低成本方法，其特征在于：所述的反应气体是以硅基烷类气体为主体，辅以掺杂气体，掺杂气体是锗烷、甲烷、硼烷、磷烷、二氧化碳、氨气。
7.根据权利要求1所述的高速生长硅基薄膜的低成本方法，其特征在于：所述的平行板电极的材料是不锈钢。
8.根据权利要求1所述的高速生长硅基薄膜的低成本方法，其特征在于：所述的硅基薄膜包括非晶硅、非晶硅锗、非晶硅碳、非晶硅氮，纳米硅、纳米硅锗，微晶硅、微晶硅锗，多晶硅薄膜。
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