本发明专利技术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。本发明专利技术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。所以本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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
，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。
技术介绍
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（10 12_1013cnT3)，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。
技术实现思路
技术问题：本专利技术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：本专利技术涉及，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. 35_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 X l(T4Pa，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。是射频发生器 的开路电压，R。是射频发生器的内阻。CJPC 2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。CjP Cp是等离子体工作于容性放电模式下的两个等效电容，L。和 R。分别是平行螺线圈的电感和电阻，LjPR 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。-!^，总电阻为R = &+&。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：本专利技术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（~10 1(lcnT3,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专利技术做进一步详细阐述。 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本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种新型的可避免衬底损伤的薄膜沉积方法，即非平行班式电容耦合等离子体化学气相沉积方法，其特征是通过设计电感天线的形状(采用平面矩形螺旋状线圈)、控制射频输入功率以及控制调谐匹配电容，实现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、匹配网络；三、低频电源发生器；四、柱状不锈钢真空室；五、石英玻璃；六、衬底支架。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：肖少庆，张学成，顾晓峰，丁荣，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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