用于在基体上连续地气相沉积硅的方法和设备技术

一种用于在基体上连续地气相沉积硅的方法，包括以下步骤：a)将至少一个基体送入反应室(2)；b)将工艺气体以及至少一种气态硅前体化合物通入所述反应室(2)；c)在所述反应室(2)中形成与所述气态硅前体化合物共存的至少一种硅基中间产物和所述工艺气体的气态混合物；d)通过将所述硅前体化合物和/或所述硅基中间产物在所述基体上气相沉积硅来形成硅层；e)从所述反应室(2)中导出过量的所述气态混合物；其特征在于，所述方法还包括步骤(f)，在步骤(f)中，将过量的所述气态混合物的至少一个组分返回到所述反应室(2)中，所述组分选自所述硅前体化合物、所述硅基中间产物和/或所述工艺气体，其中，将所述硅前体化合物通入所述反应室(2)中的调节方式为，在工艺气体中，所述硅基中间产物与所述硅前体化合物的摩尔比为0.2:0.8至0.5:0.5，优选为0.3:0.7至0.5:0.5，特别优选为0.5:0.5。

Method and equipment for continuous vapor deposition of silicon on substrate

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在基体上连续地气相沉积硅的方法和设备
通过使硅化学气相沉积在基体上可以制造层厚为1至200μm的硅层，这种硅层应用在太阳能电池和微电子设备中。与传统的通过锯切由丘克拉斯基(Czochralski)法或区域熔化法制成的硅块的制造方法不同，在化学气相沉积中避免了锯切损失。此外，与用传统方式制造的层厚在200至300μm范围内的硅晶片相比，由于较小的层厚，能够节省大量的硅并由此节省很多成本。
技术介绍
在化学气相沉积中，将基体送入反应室中并将其加热到700℃至1400℃。此后，将硅前体化合物引入反应室，该硅前体化合物在反应室中热分解，由此使固态的硅在基体上沉积。将这种化学反应可能的副产物以及过量的硅前体化合物从反应室中引出。通过这种化学气相沉积，除了多晶硅层，还通过在结晶基体上的气相磊晶产生单晶硅层。作为硅前体化合物主要是硅烷和氯硅烷。由于硅烷与空气中的氧气接触时的自燃性以及发生气相成核的倾向，使用硅烷是不利的。对于氯硅烷的情况，在存在氢气作为工艺气体的情况下实现在基体上的硅沉积反应，并且所述硅沉积反应根据简化的反应式进行：SiH(4-n)Cln+(n-2)H2→Si+nHCl这里已经表明，四氯化硅(n＝4)在高达1600℃都是热稳定的。通过添加氢气才发生硅在基体上的沉积。但附加地根据以下反应式，在反应室中或在通过反应室之后，根据H2浓度、温度和压力，在冷却时形成其他的低氯硅烷，例如形成三氯硅烷(n＝3)和二氯硅烷(n＝2)：这些中间产物同样会热分解并在从700℃起显著降低的温度下导致发生硅沉积。由此不仅在基体表面上出现硅的沉积物，而且在反应室的气体供应和气体导出管道中也发生硅沉积。这种所谓的寄生沉积会导致这些流体管道的横截面减小并且因此必须定期去除，以便获得完整的横截面。在DE102005045582中例如记载了一种用于连续地使硅气相沉积在基体上的方法，在所述方法中，在基体上实现硅沉积的同时，通过周期式地改变所供应的气体的组成来去除所述设备中的寄生沉积和/或防止形成寄生沉积。为此，以周期性的间隔向反应室供应腐蚀气体，即氯化氢，用于去除寄生沉积。这种方法的缺点是，在存在腐蚀气体时，涂覆硅的基体的生产率明显降低，因为在存在氯化氢时，所有固态硅，就是说不仅是寄生沉积都会转化成气态的三氯硅烷。这一方面会导致硅层的层厚减小，另一方面使用另一种气体提高了生产成本。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是，提供一种用于在基体上气相沉积硅的方法和设备，由此防止或至少减少形成寄生沉积并且相对于现有技术已知的方法可以提高生产率。所述目的根据本专利技术通过一种具有权利要求1的特征的方法以及一种具有权利要求12的特征的设备来实现。根据本专利技术的构思的有利的改进方案是各从属权利要求的主题。本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于在基体上连续地气相沉积硅的方法。此外本专利技术涉及一种根据权利要求12的前序部分所述的用于在基体上连续地气相沉积硅的设备。根据本专利技术的用于在基体上连续地气相沉积硅的方法包括以下步骤：在方法步骤(a)中进行的是，将至少一个基体送入反应室中。在方法步骤(b)中进行的是，将工艺气体以及至少一种气态硅前体化合物通入反应室中。然后，在方法步骤(c)中，在反应室中形成与气态硅前体化合物共存的至少一种硅基中间产物和工艺气体的气态混合物。在随后的方法步骤(d)中，通过将气态硅前体化合物和/或硅基中间产物在基体上气相沉积硅来形成硅层。在方法步骤(e)进行的是，从反应室中导出过量的气态混合物。在根据本专利技术的方法中重要的是，在方法步骤(f)中，将过量的气态混合物的至少一个组分返回到反应室中，所述组分选自硅前体化合物、硅基中间产物和/或工艺气体，其中，将气态硅前体化合物通入反应室中的调节方式为，在工艺气体中，硅基中间产物与硅前体化合物的摩尔比为0.2:0.8至0.5:0.5，优选为0.3:0.7至0.5:0.5，特别优选为0.5:0.5。由此，硅前体化合物在气体供应流中以过量或者以与硅基中间产物相同的量存在。在本专利技术范围内的是，基体由多晶硅或单晶硅、陶瓷、玻璃以及/或者其他复合物或层系统构成。但本专利技术不仅限于此，因为例如也可以设想使用含聚合物的基体或其他半导体材料，例如碳化硅或其他复合半导体。由于在利用氯硅烷的化学气相沉积在基体上制造硅层时总是有小于100％、通常在15％至30％之间的所使用的硅前体化合物转化成固态硅，返回过量的气态混合物的至少一个组分除了明显减少污染环境的废弃物以外还由于硅前体化合物的消耗较少使得可以降低工艺成本。此外，本专利技术还基于这样的认识，即，硅的沉积不仅是温度相关的，而且还与所述气态混合物的摩尔组成相关，所述气态混合物由至少一种硅基中间产物、硅前体化合物以及工艺气体组成。申请人的研究表明，通过适当地选择所述硅基中间产物与硅前体化合物的摩尔比可以抑制或者完全阻止硅的沉积。该发现基于以下事实：来自硅前体化合物和/或来自硅基中间产物的硅的化学气相沉积倾向于作为平衡反应进行，这种平衡反应温度相关以及浓度相关地进行。特别是当硅基中间产物与硅前体化合物的摩尔比为0.2:0.8至0.5:0.5时，可以防止大部分的寄生沉积。当硅基中间产物与硅前体化合物的摩尔比为0.3:0.7至0.5:0.5甚至可以完全阻止寄生沉积。这种摩尔比可以通过有控制地通入硅前体化合物以及通过将过量的所述气态混合物的至少一个组分返回到对反应室的气体供应中来控制，所述组分选自硅前体化合物、硅基中间产物和/或工艺气体。众所周知，在化学气相沉积期间，固态硅在基体上的沉积速率也取决于通入反应室中的气流的组成。因此，为了优化硅的沉积速率，在方法步骤(b)中优选可以向沉积室中通入不止一种硅前体化合物，而是通入多种硅前体化合物。如果将多种硅前体化合物通入反应室的气体供应中，则所给出的摩尔比涉及一种所述硅前体化合物。在本专利技术范围内的是，作为硅前体化合物将多种氯硅烷、特别是四氯化硅和三氯硅烷通入方法步骤(b)中。在这种情况下，所述摩尔比优选涉及高氯硅烷与硅基中间产物的比值。由于在方法步骤(c)中在反应室中由至少一种硅基中间产物、硅前体化合物以及工艺气体形成了气态混合物，以及由于在方法步骤(d)中接下来进行的硅沉积，仅能不精确地预估所引出的过量气态混合物的组成。因此，在所述方法有利的第一实施方式中，在方法步骤(f)中，通过测量单元测定过量气态混合物中硅基中间产物与硅前体化合物的摩尔比。这里，在本专利技术范围内的是，所述测量单元被配置为直接用于测定摩尔比或者被配置为用于测定等效的值，特别是测定一种和/或多种硅基中间产物的浓度和/或量和/或体积或质量流量，由所述参量可以得出过量气态混合物的中硅基中间产物与硅前体化合物的摩尔比。但可选地，所述测量单元也用于直接测定过量气态混合物中所述硅基中间产物与所述硅前体化合物的摩尔比。此外，所述测量单元可以用于在线测定相关的摩尔比或者测定一种和/或多种硅基中间产物的浓度。可选地，所述测量单元也可以只是暂时地，例如在化学气相沉积开始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在基体上连续地气相沉积硅的方法，包括以下步骤：/n(a)将至少一个基体送入反应室(2)；/n(b)将工艺气体以及至少一种气态硅前体化合物通入所述反应室(2)；/n(c)在所述反应室(2)中形成与所述气态硅前体化合物共存的至少一种硅基中间产物和所述工艺气体的气态混合物；/n(d)通过将所述气态硅前体化合物和/或所述硅基中间产物在所述基体上气相沉积硅来形成硅层；/n(e)从所述反应室(2)中导出过量的所述气态混合物；/n其特征在于，/n所述方法还包括步骤(f)，在步骤(f)中，将过量的所述气态混合物的至少一个组分返回到所述反应室(2)中，所述组分选自所述硅前体化合物、所述硅基中间产物和/或所述工艺气体，其中，将所述气态硅前体化合物通入所述反应室(2)中的调节方式为，在所述工艺气体中，所述硅基中间产物与所述硅前体化合物的摩尔比为0.2:0.8至0.5:0.5，优选为0.3:0.7至0.5:0.5，特别优选为0.5:0.5。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171027 DE 102017125232.01.一种用于在基体上连续地气相沉积硅的方法，包括以下步骤：
(a)将至少一个基体送入反应室(2)；
(b)将工艺气体以及至少一种气态硅前体化合物通入所述反应室(2)；
(c)在所述反应室(2)中形成与所述气态硅前体化合物共存的至少一种硅基中间产物和所述工艺气体的气态混合物；
(d)通过将所述气态硅前体化合物和/或所述硅基中间产物在所述基体上气相沉积硅来形成硅层；
(e)从所述反应室(2)中导出过量的所述气态混合物；
其特征在于，
所述方法还包括步骤(f)，在步骤(f)中，将过量的所述气态混合物的至少一个组分返回到所述反应室(2)中，所述组分选自所述硅前体化合物、所述硅基中间产物和/或所述工艺气体，其中，将所述气态硅前体化合物通入所述反应室(2)中的调节方式为，在所述工艺气体中，所述硅基中间产物与所述硅前体化合物的摩尔比为0.2:0.8至0.5:0.5，优选为0.3:0.7至0.5:0.5，特别优选为0.5:0.5。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(f)中，通过测量单元测定过量的所述气态混合物中的所述硅基中间产物与所述硅前体化合物的摩尔比。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将由所述测量单元测定的所述硅基中间产物与所述硅前体化合物的摩尔比发送给控制单元，所述控制单元调节所述硅前体化合物的通入，使得在所述工艺气体中，所述硅基中间产物与所述硅前体化合物之间的摩尔比为0.2:0.8至0.5:0.5，优选为0.3:0.7至0.5:0.5，特别优选为0.5:0.5。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(f)中，从过量的所述气态混合物中去除杂质和/或通过回收单元(7)从过量的所述气态混合物中至少部分地分离杂质。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(f)中，通过循环管道(5)将所述硅基中间产物和/或所述硅前体化合物和/或所述工艺气体返回到所述反应室(2)中。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述硅前体化合物为氯硅烷，优选为四氯化硅和/或三氯硅烷。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述工艺气体为氢气。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述硅基中间产物为氯硅烷，优选为三氯硅烷和/或二氯硅烷。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述硅前体化合物与所述硅基中间产物的总量以1～10mol％，优选2～7mol％，特别优选3～6mol％的摩尔比存在于所述工艺气体中。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述反应室(2)中存在0.8～1.2bar的压力下，通过将所述硅前体化合物和/或所述硅基中间产物在基体上气相沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·瑞伯，K·席林格，
申请(专利权)人：奈克斯沃夫有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE