制备非晶氢硅薄膜的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了制备非晶氢硅薄膜的方法及装置，将清洗后的基板置于反应室两块上下平行的电极间，反应室抽真空，以纯氮气为载气，通入氢气稀释的硅烷反应气体，基板在室温或加热至５０～１００℃，开启高压脉冲电源，气体放电沉积薄膜。本发明专利技术实现了非晶氢硅薄膜在多种传统基板或低熔点基板上于常温或５０～１００℃低温快速沉积，非晶氢硅薄膜的最大沉积速率可达２０ｎｍ／ｍｉｎ，比常规的ＰＥＣＶＤ非晶硅薄膜沉积速率提高约两倍。所制备的非晶氢硅薄膜的禁带宽度１．９２～２．１８ｅＶ，光、暗电导比大于两个数量级，有望在太阳能电池、建筑节能玻璃等领域获得应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在多种基材表面沉积非晶氢硅薄膜的方法和装置。
技术介绍
非晶氢硅(a-Si:H)是一种能实现可控掺杂的半导体薄膜材料，在太阳能电池、肖特基势垒半导体器件、光电探测、平面显示、节能玻璃等领域早已得到广泛应用。目前的a-Si:H薄膜制备方法大多沿袭1986年的美国专利4631198(Kakinuma，et al.)，采用射频放电等离子体化学气相沉积(PECVD)技术，以氢气和硅烷作为反应先驱体，在加热基板上沉积薄膜。也有采用常压化学气相沉积(APCVD)技术制备非晶硅薄膜晶体三极管，应用于LCD，见1999年美国专利5,930,657(Kim，et al.)。迄今为止，PECVD技术仍然是a-Si:H薄膜研究和大规模工业应用所普遍采用的制备方法。常规的PECVD技术采用固定频率为13.56MHz的射频电源产生能量激励形成等离子体，促进化学气相沉积反应的进行。然而，这种射频放电模式所要求的工作气压较低(约100Pa左右)，使得反应先驱体的气体流量受到限制，a-Si:H薄膜的沉积速度偏低(约5～10nm/min)。另外，射频放电所提供的电子平均能量较低(＜1eV)，使得沉积a-Si:H薄膜时的基板温度至少需要200℃以上，这一方面限制了多种低熔点基板材料的选用，另一方面使得基板上的碳、重金属等杂质有可能在加热过程中扩散到已形成的薄膜中，对半导体器件性能产生损害。因此，探索使a-Si:H薄膜能在常温或50～100℃的低温下快速沉积，具有较高的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在多种基材表面于室温或50～100℃的低温下快速制备非晶氢硅薄膜的方法及装置。本专利技术提供的制备非晶氢硅薄膜的方法，采用高压脉冲等离子体化学气相沉积法，步骤如下将清冼后的基板置于反应室中，反应室抽真空到至少10-3Pa，以纯氮气为载气，通入氢气稀释的体积浓度为20～50％的硅烷反应气体，反应室压强为100～1000Pa，基板在室温或加热至50～100℃，开启高压脉冲电源，调整电压5～20KV，频率5～20kHz，脉冲上升沿20kV/μS，脉冲宽度2μS，气体放电沉积薄膜。上述的基板可以是玻璃、硅片等传统基材，也可以是塑料、铝材等低熔点基材。本专利技术通过调整高压脉冲电源的参数、反应温度等条件，可以调整非晶氢硅薄膜的沉积速率和膜基结合状况。实现本专利技术的制备非晶氢硅薄膜方法所采用的装置，包括绝缘陶瓷制的反应窒，反应室的相对两壁设有对称的平面狭缝式进气通道和出气通道，反应室内有两块上下平行的电极，上电极与高压脉冲电源相连，其下表面覆盖厚度2mm以下的陶瓷板，下电极固定在加热器上并接地，加热器与反应室外的加热温控装置相连。本专利技术中所用的高压脉冲电源，以采用电压5～20kV、频率5～20kHz、脉冲上升沿20kV/μS、脉冲宽度2μS的参数为好。本专利技术的有益效果在于本专利技术采用高压脉冲等离子体化学气相沉积非晶氢硅薄膜，由于高压脉冲电源可提供1～10eV的电子平均能量，远高于射频放电电源的电子平均能量，因而实现了非晶氢硅薄膜在多种传统基板或低熔点基板上于常温或低温(50～100℃)快速沉积，非晶氢硅薄膜的最大沉积速率可达20nm/min，比常规的PECVD非晶硅薄膜沉积速率(约5～10nm/min)提高了约两倍。所制备的非晶氢硅薄膜的禁带宽度1.92～2.18eV，光、暗电导比大于两个数量级，有望在太阳能电池、建筑节能玻璃等领域获得应用。附图说明图1为本专利技术的制备非晶氢硅薄膜的装置。具体实施例方式参照图1，本专利技术的制备非晶氢硅薄膜的装置包括绝缘陶瓷制的反应窒5，反应室的相对两壁设有对称的平面狭缝式进气通道6-1和出气通道6-2，反应室内有两块上下平行的电极，上电极1与高压脉冲电源7相连，高压脉冲电源的电压5～20kV、频率5～20kHz、脉冲上升沿20kV/μS，脉冲宽度2μS。上电极1的下表面覆盖厚度2mm以下的陶瓷板4，下电极2固定在加热器9上并接地，加热器9与反应室外的加热温控装置8相连。图中3为固定在下电极上的基板。采用平面狭缝式进、出气通道，可以使反应室的反应气流稳定均匀。实施例1将玻璃基板经过表面清洗，置于反应室的下电极，反应室抽真空至10-3Pa，以纯氮气为载气，通入氢气稀释的体积浓度为20％的硅烷(SiH4)反应气体，反应室压强为200Pa，基板加热至100℃，开启高压脉冲电源，调整电压12KV、频率20KHz，脉冲上升沿20kV/μS，脉冲宽度2μS，气体放电沉积薄膜。本例制得的非晶氢硅薄膜，厚度均匀、膜基结合牢固。经台阶仪膜厚测算，薄膜的最大沉积速率为20nm/min。经紫外-可见光透射光谱测算，其光学带隙宽度为1.92eV，大于PECVD方法制备的非晶氢硅薄膜的光学带隙(约1.8eV)。实施例2将铝板经过表面清洗，置于反应室的下电极，反应室抽真空至10-3Pa，以纯氮气为载气，通入氢气稀释的体积浓度为50％的硅烷(SiH4)反应气体，反应室压强为100Pa，基板加热至50℃，开启高压脉冲电源，调整电压20KV、频率10KHz，脉冲上升沿20kV/μS，脉冲宽度2μS，气体放电沉积薄膜。本例制得的非晶氢硅薄膜，厚度均匀、膜基结合牢固。经台阶仪膜厚测算，薄膜的最大沉积速率为15nm/min。经拉曼光谱分析，480cm-1处出现非晶氢硅的特征拉曼峰，表征得到了典型的非晶氢硅薄膜。实施例3将塑料基板经过表面清洗，置于反应室的下电极，反应室抽真空至10-3Pa，以纯氮气为载气，通入氢气稀释的体积浓度为40％的硅烷(SiH4)反应气体，反应室压强为1000Pa，室温下，开启高压脉冲电源，调整电压5KV、频率5KHz，脉冲上升沿20kV/μS，脉冲宽度2μS，气体放电沉积薄膜。本例制得的非晶氢硅薄膜，厚度均匀、膜基结合牢固。经台阶仪膜厚测算，薄膜的最大沉积速率为12nm/min。经拉曼光谱分析，480cm-1处出现非晶氢硅的特征拉曼峰，表征得到了典型的非晶氢硅薄膜。权利要求1.制备非晶氢硅薄膜的方法，其特征是步骤如下将清冼后的基板置于反应室中，反应室抽真空到至少10-3Pa，以纯氮气为载气，通入氢气稀释的体积浓度为20～50％的硅烷反应气体，反应室压强为100～1000Pa，基板在室温或加热至50～100℃，开启高压脉冲电源，调整电压5～20KV，频率5～20KHz，脉冲上升沿20kV/μS，脉冲宽度2μS，气体放电沉积薄膜。2.根据权利要求1所述的制备非晶氢硅薄膜的方法，其特征是所说的基板为玻璃、硅片、塑料或铝材。3.用于实现权利要求1所述的制备非晶氢硅薄膜方法的装置，其特征是包括绝缘陶瓷制的反应窒(5)，反应室的相对两壁设有对称的平面狭缝式进气通道(6-1)和出气通道(6-2)，反应室内有两块上下平行的电极，上电极(1)与高压脉冲电源(7)相连，其下表面覆盖厚度2mm以下的陶瓷板(4)，下电极(2)固定在加热器(9)上并接地，加热器(9)与反应室外的加热温控装置(8)相连。4.根据权利要求3所述的制备非晶氢硅薄膜的装置，其特征是高压脉冲电源的电压为5～20kV、频率5～20kHz、脉冲上升沿20kV/μS、脉冲宽度2μS。全文摘要本专利技术公开了制备非晶氢硅薄膜的方法及装置，将清冼后的基板置于反应室两块上下平行的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备非晶氢硅薄膜的方法，其特征是步骤如下：将清洗后的基板置于反应室中，反应室抽真空到至少１０↑［－３］Ｐａ，以纯氮气为载气，通入氢气稀释的体积浓度为２０～５０％的硅烷反应气体，反应室压强为１００～１０００Ｐａ，基板在室温或加热至５０～１００℃，开启高压脉冲电源，调整电压５～２０ＫＶ，频率５～２０ＫＨｚ，脉冲上升沿２０ｋＶ／μＳ，脉冲宽度２μＳ，气体放电沉积薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张溪文，李敏伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]