一种等离子增强的感应蒸发硅薄膜沉积方法技术

一种等离子增强的感应蒸发硅薄膜沉积方法，是在真空环境下，感应加热高纯硅原料，产生的硅蒸汽经氢等离子体离化，并沉积于衬底，在所述感应加热装置和衬底之间，设置有电感耦合或者电容耦合等离子体发生装置。本发明专利技术工艺方法简单、操作方便、生产成本低、可以在玻璃、塑料、金属薄片等衬底上实现高质量硅薄膜的快速沉积、缺陷钝化、掺杂和微晶化，配以相应的衬底自动更换或者柔性衬底卷绕设备，即可实现连续化沉积，实现工业化生产，可替代现有硅薄膜沉积工艺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种硅薄膜沉积方法，特指系一种等离子增强的感 应蒸发硅薄膜沉积方法，属于半导体薄膜与器件、光电子学领域。
技术介绍
非晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜在平板显示、太阳能电池、薄膜传感器等领域具有广泛的应用价值。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，非晶硅、微晶硅薄膜太阳能电池因其成本低廉，对太阳光适应范围广泛，非最佳角度阳光下的工作情况好于其它太阳能电池，容易用于玻璃幕墙，特别适合在新建建筑上使用，符合我们国家的建筑节能政策。因此，非晶硅、微晶硅薄膜在太阳能光伏产业中潜力巨大， 在整个半导体太阳能电池领域中的地位正在不断上升。非晶硅光电薄膜技术已经成为全球光电产业市场新焦点。当前，如何在玻璃、金属 箔片、塑料等衬底上廉价、快速沉积大面积高质量的硅薄膜成为当前 各国研究人员关注的焦点。真空薄膜沉积技术主要分为物理气相沉积和化学气相沉积两大类。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是当前沉积硅薄膜的主流 技术。该技术采用气态硅烷作为源料，在等离子体作用下，可以在比较低的温度下，实现非晶硅甚至微晶硅薄膜的沉积。但该技术也具有 硅烷源料易燃易爆、利用率不高、硅薄膜沉积速率慢、大型产业化设 备复杂昂贵等缺点。物理气相沉积主要包括蒸发、溅射、离子镀等工 艺。相对于化学气相沉积，物理气相沉积特别是蒸发技术，工艺简单、 成本低廉，被广泛用于各种金属薄膜的沉积。根据加热方式又可以分 为普通电阻热蒸发、电子束蒸发和感应热蒸发三类。从大规模产业化 角度看，中频、高频感应蒸发最有前途。感应加热蒸发具有有高效节 能、易控制调节、维护方便、安装好即可生产、工艺简单等优点。但 是当前的真空感应蒸发镀膜技术还只能用于在塑料、玻璃等衬底上沉 积性能要求不髙的薄膜材料。由于半导体功能薄膜，特别是硅薄膜的 沉积在纯度、均匀性和结构缺陷钝化方面有很高的要求，因此，目前 的感应蒸发技术还不能胜任该类薄膜的沉积。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法 简单、操作方便、生产成本低、可以在玻璃、塑料、金属薄片等衬底 上实现高质量硅薄膜的快速沉积、缺陷钝化、掺杂和微晶化的等离子 增强的感应蒸发硅薄膜沉积方法。本专利技术… 是釆用下 述方案实现的在真空环境下，感应加热高纯硅原料，产生的硅蒸汽 经氢等离子体离化，并沉积于衬底。本专利技术… 中，在感应加热装置和衬底之间，设置有电感耦合或者电容耦合等离子体发生 装置。本专利技术-- 中，所述高纯硅原料为纯度大于99.99%的固体硅。本专利技术-- 中，可在氢等离子体中实现硅薄膜的缺陷钝化和纳米晶、微晶晶化。本专利技术… 中，可以直接蒸发p型硅原料实现硅薄膜的p型掺杂。本专利技术--- 中，可在 氢等离子体气氛中通入磷烷气体，实现硅薄膜的ii型掺杂。本专利技术--- 中，所述 感应加热装置为高频感应加热装置或中频感应加热装置中的一种。本专利技术--- 中，所述 真空环境可以是多个相互连通的独立真空腔体。本专利技术的工作原理及优点简述于下本专利技术采用成熟的中频、 高频感应加热技术在真空腔体中实现高纯硅料的蒸发、沉积，可以有 效提高蒸发速度、杜绝蒸发过程中的污染，大大提高生产效率，保证 膜层质量，有效克服传统热蒸发蒸发源面积小、加热过程中易飞溅、 生产效率低、膜层不均匀，针眼多等质量不稳定的缺点；另外，本发 明在蒸发坩锅的顶部和衬底之间设置电感耦合或者电容耦合等离子 体发生装置，在真空腔体中通入一定量的氢气，经等离子体发生装置 产生氢等离子体，硅蒸汽经过氢等离子体时，吸收等离子体能量，沉积到衬底时候可以实现在较低的衬底温度下晶化，从而获得微晶硅; 同时，氢可以结合在硅薄膜的悬挂键上，起到钝化缺陷的作用，从而 提高硅薄膜的电学特性。另外，在真空腔体中通入一定量的氢气和磷 烷气体，在等离子体作用下，即可实现低温下N型非晶硅、微晶硅的 沉积。而直接蒸发硼掺杂的P型硅原料，在氢等离子体作用下，即可 实现低温下P型非晶硅、微晶硅的沉积。特别是本专利技术采用在多个相 互连通的真空腔体中分别实现P, I， N层硅薄膜的沉积，可以最大限 度的降低交叉污染，有效保证膜层质量。采用本专利技术，在真空腔体中 配以相应的衬底自动更换或者柔性衬底巻绕设备，即可实现连续化沉 积，实现工业化生产。本专利技术与等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 技术相比较，本专利技术具有如下特点1) 沉积速度快PECVD低温沉积硅薄膜， 一般速度低于lnm/s， 而本专利技术工艺低温下很容易实现10—20 nm/s的沉积速率；2) 安全可靠PECVD采用的气态硅烷易燃易爆，而本专利技术工艺采 用的是固体硅，无毒无害；3) 成本低廉PECVD工艺中硅烷利用率低，大部分硅烷成为尾气 而浪费，而本专利技术工艺中高纯多晶硅利用率高、回收率高。综上所述，本专利技术工艺方法简单、操作方便、生产成本低、可以 在玻璃、塑料、金属薄片等衬底上实现高质量硅薄膜的快速沉积、缺 陷钝化、掺杂和微晶化，配以相应的衬底自动更换或者柔性衬底巻绕设备，即可实现连续化沉积，实现工业化生产，可替代现有硅薄膜沉 积工艺。具体实施方式 实施例1以玻璃作为衬底，衬底温度保持300'C。原材料采用纯度大于6N 的多晶硅，放置于高纯(〉5N)石墨坩锅内。在真空腔体中通入一定 量的氢气和氩气，两种气体比例为h 1，真空度保持在5Pa。置于 蒸发源和衬底之间的电感耦合线圈产生等离子体。开启感应加热电 源，逐渐加大功率，实现石墨坩锅内硅的熔化和蒸发。在氢+氩等离 子体辅助下实现高质量微晶硅薄膜的沉积。通过感应蒸发功率的调节 可以方便地实现硅薄膜沉积速率的调节。典型厚度为800纳米，沉积 速率保持在5nm/s。该微晶硅薄膜可以用于薄膜太阳能电池制作。 实施例2衬底为预先沉积有一层100纳米厚的ZnO:In薄膜的柔性AI箔。 源材料采用纯度大于6N的多晶硅，坩锅为高纯(>5N)石墨。在真 空腔体中通入一定量的氢气和氩气，两种气体比例为h 1，真空度 保持在5.0Pa。在蒸发源和衬底之间用电感耦合线圈离化、产生等离 子体。开启感应加热电源，逐渐加大功率，实现石墨坩锅内硅的熔化 和蒸发。在氢+氩等离子体辅助下实现高质量多晶硅薄膜的沉积。硅 薄膜沉积时，Al箔衬底温度保持500'C 。通过感应蒸发功率的调节可 以方便地实现硅薄膜沉积速率的调节。所沉积的多晶硅典型厚度为 5.0微米，沉积速率保持在10 nm/s。该多晶硅薄膜可用于高效多晶硅薄膜太阳能电池制作采用柔性PET塑料作为衬底，衬底温度维持为150°C。采用等离 子体增强的感应蒸发技术蒸发纯度大于5N的固体硅源料，真空腔体 中通入一定量的02气体，真空度维持1.0Pa。釆用电感耦合方式在 坩锅和衬底间产生等离子体区域，在氧等离子体辅助下蒸发硅料，从 而在PET塑料衬底上沉积一层厚度为100纳米厚的Si02过渡层，沉 积速率为lnm/s。接着，抽尽氧气，通入体积比为l: l的氢、氩气 体，真空气压保持0.5Pa。在氢、氩等离子体辅助下，蒸发硼掺杂的 p型多晶硅原料，继续在Si02过渡层上沉积一层厚度为100纳米的p 型非晶硅薄膜，沉积速率为0.511 1/8。该非晶硅薄膜可用于柔性薄膜 晶体管的制作。权利要求1.，其特征在于在真空环境下，感应加热高纯硅原料，产生的硅蒸汽经氢等离子体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子增强的感应蒸发硅薄膜沉积方法，其特征在于：在真空环境下，感应加热高纯硅原料，产生的硅蒸汽经氢等离子体离化，并沉积于衬底。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万青，易宗凤，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43[]