利用碳化物丝线的热丝化学气相沉积（HWCVD）制造技术

一种热丝化学气相沉积装置，用于通过裂解诸如硅烷的源或前体气体，在晶片或衬底的表面上沉积诸如非晶硅或外延硅的薄膜。所述装置包括真空室，以及可操作以将前体气体注射到所述室中的前体气体的源。所述HWCVD装置还包括具有暴露于所述沉积室的支承表面的加热器，并且所述加热器可操作以加热设置于所述支承表面上的衬底。所述装置包括具有设置在所述加热器与前体气体入口之间的丝线的催化分解组合件，所述丝线选择性地通过电流以电阻加热丝线的材料。丝线材料可为碳化物如碳化钽，碳化物可涂覆在石墨芯上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2010年2月26日递交的美国临时申请No.61/308,504的权益，所述申请通过引用整体并入本文。合同起源根据美国能源部与可持续能源联盟有限责任公司(国家可再生能源实验室的管理者和运营商)之间的合同号DE-AC36-08GO28308，美国政府在本专利技术中拥有权利。背景半导体及其他材料的薄膜在许多产品中得到广泛应用，例如集成电路(IC)、显示器件、太阳能电池等等。薄膜常常是通过使用化学气相沉积(CVD)，将材料层或一定体积的材料施加到衬底上来提供的。典型的CVD工艺中，晶片或衬底被暴露于一种或更多种挥发性前体，挥发性前体在衬底表面上反应和/或分解，以提供期望的沉积物或薄膜。近来，使用热丝CVD(HWCVD)工艺已渐受关注，因为它具有许多超越其他CVD工艺的优点，并且这些优点包括高生长速率、灵活的工艺条件以及固有的可量测性。简言之，HWCVD使用热的或高温丝线来化学分解或“裂解”源气体，以引起薄膜涂覆晶片或衬底(例如用源自硅烷源气体的硅涂覆衬底)。一个具体实例中，已进行了涉及用电阻加热丝线(filament)催化分解硅烷(例如，源气体为SiH4)的HWCVD，并已生产了光伏器件或太阳电池、薄膜晶体管，以及带有现有技术性质的硅薄膜的其他器件。这些HWCVD应用中，当将丝线保持在显著高于1500℃的温度时，例如直到约1800℃至2100℃时，硅烷或硅烷/氢混合物的源气体或原料气体在典型地由钨或钽形成的热丝线的表面被有效裂解成原子自由基。反应性物质被输送到在使得能够进行高沉积速率的低压环境中的晶片或衬底表面。例如，已使用钽丝线裂解硅烷源气体，在可接受高沉积速率下沉积了高品质非晶硅膜。在诸如太阳能电池的薄膜器件的制造中，存在着几个抑制HWCVD的快速商品化的问题和争议。丝线通常为非常小直径的金属丝(例如，约1毫米或更小)，这对于重复沉积过程来说可能限制它们的结构强度。而且，丝线在膜生长所用的反应性环境中常常是结构上不稳定的，并且该不稳定性常常导致在每个沉积循环之后或期间丝线的失效。结果，标准做法是在每次薄膜沉积之后替换所有的丝线。例如，硅薄膜的HWCVD可以用用于裂解硅烷源气体的钨(W)或钽丝线来进行。将丝线电阻加热到高温(例如，钨和钽丝线导电，但丝线的电阻性质导致热生成)，以提供源气体的催化转化。为此，通常通过将丝线的端部连接到正极和负极而使直流或交流电通过丝线。结果，认为丝线接近较冷接触的端部处于比丝线的中间部分更低的温度，并且硅化钨或硅化钽形成在丝线的端部，使得丝线在其端部(该硅化物形成在此)具有更大的直径。不幸的是，这两种硅化钨为脆性的，并且在一次或有限次的沉积循环之后，丝线因硅化而断裂。由于钽丝线和钨丝线不耐用，它们与诸如硅烷的源气体一起使用可能限于研究和测试设施，而不会用于商业化的CVD工艺。此外，目前采用的丝线材料可能限制所能达到的沉积速率。具体地，一些材料限制可提供来裂解源气体的加热量。例如，钽丝线在它们被加热到约1800℃以上时可能开始软化并弯曲，并且这限制了可用来分解前体气体的热能，这限制了沉积速率。类似地，钨丝线在其开始弯曲或结构分解之前限于约2100℃的温度。丝线在某些温度以上时弯曲，该现象对于CVD过程可能是有用的，导致了关于沉积速率以及关于化学过程(例如，源气体的化学过程、具有添加剂气体，等等)的控制问题。相关技术的前述实例以及与之相关的限制是举例说明，而非全部。在阅读本说明书并研究附图时，相关技术的其他限制对于本领域技术人员来说将变得明显。
技术实现思路
以下实施方案及其各方面结合系统、工具和方法来描述并阐释，这些系统、工具和方法意图为示例性和阐释性的，而不限制范围。各个实施方案中，上述问题的一个或更多个已被减小或消除，而其他实施方案则涉及其他改进。已认识到，当可提供在膜生长所用的反应性和高温环境中稳定且耐久的丝线材料时，热丝化学气相沉积(HWCVD)将在用于提供薄膜(如，光伏器件(PV)上的硅层)的商业设备中广泛采用。也已理解，用于代替现有诸如钨丝的丝线需要是电阻加热器并且结构稳定。换言之，丝线组合件中所用的材料需要适当地导电，以因其电阻特性而被加热(例如，至1500到2100℃范围内或更高的温度)。而且，丝线将优选具有结构强度和弹性(非脆性)，以根据需要来成型，并在重复使用期间，即使提供为较小尺寸(如，1毫米或更小的直径)时，也不断裂或失效。例如，提供带状或线圈形状的丝线，或者提供为带有应力消除段(如，弹簧形状的部分，以抵消在电阻加热和冷却循环期间的膨胀和收缩)可能是期望的。为此，提供一种有助于高效HWCVD的薄膜沉积装置。沉积装置包括保持在较低压力或真空压力的沉积室，以及在室内或暴露于所述室的加热器，加热器用于支承并加热晶片或衬底，薄膜将沉积在晶片或衬底上。沉积装置还包括来自诸如硅烷等的前体或原料气体(或简称为“源气体”)的源的入口。装置可还包括来自其他气体源(例如掺杂物或其他添加剂，如氢等等)的入口。在所述室中，将一个或更多个电阻加热器丝线设置在适当的位置，在该位置处，气体(一种或多种)将在丝线上流动并被快速加热，并且在一些情形中裂解成较小的部分或分子，产生在经加热的晶片或衬底表面的涂层。丝线附接到延伸至电源(如直流电或交流电源)的电接触或固定装置，以选择性地加热丝线至高温或期望温度。重要地，丝线至少部分由诸如碳化钽的碳化物形成，一些实施方案采用石墨结构(例如棒、带、线圈、织造布等等)，石墨结构涂覆有碳化物以使其耐反应性环境，而其他实施方案的丝线可全部(或接近全部)采用碳化物材料。例如，诸如石墨片或布的碳源结构可被加工以形成诸如碳化钽的碳化物，并且石墨“线(threads)”在过程中被消耗，几乎没有或没有留下石墨芯，并且该碳化物片/布然后可被用作所披露的薄膜沉积装置中的HWCVD丝线。在此描述的示例性实施方案使用包括涂覆在石墨芯上的碳化钽(TaC)的丝线材料。例如，棒形状的丝线可具有带TaC薄层的石墨的芯。TaC涂覆的石墨丝线设计已被测试证明为在宽的温度范围上，在由硅烷气体沉积硅的过程中是稳定的。TaC涂覆的石墨丝线可用于硅烷(例如，沉积装置中前体气体的源)的有效催化分解，以经由HWCVD生长非晶和外延薄膜两者。TaC涂覆的石墨丝线材料至少解决了与纯钽或钨丝线相关的硅化和稳定性的问题，使用这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.02.26 US 61/308,5041.一种热丝化学气相沉积(HWCVD)装置，包括：
可在真空下操作的沉积室；
前体气体的源，包括用于将一定体积的所述前体气体注入到所述沉积
室中的气体入口；
具有暴露于所述沉积室的支承表面的加热器，所述加热器可操作为加
热设置在所述支承表面上的衬底；以及
催化分解组合件，包括设置于所述加热器的所述支承表面与所述前体
气体入口之间的丝线，并且还包括用于选择性地使电流通过所述丝线来电
阻加热所述丝线的材料的电源，其中所述丝线材料包括碳化物。
2.权利要求1所述的装置，其中所述碳化物包括碳化钽。
3.权利要求2所述的装置，其中所述碳化钽设置为涂覆碳源芯的外
层。
4.权利要求3所述的装置，其中所述碳源芯包括石墨。
5.权利要求1所述的装置，其中在所述电源的操作期间，所述丝线
被加热到至少约2000℃的温度。
6.权利要求1所述的装置，其中所述前体气体包括硅烷、SiCl4、SiF4、
HSiCl3、甲烷或GeH4，并且所述碳化物为石墨芯上的涂层，所述碳化物
涂层包括碳与金属元素或半金属元素的合金。
7.权利要求1所述的装置，其中所述碳化物包括选自钽、钨、钼、
铌、钪、钇、锆、硅和钒中的至少一种与碳的合金。
8.一种用于通过裂解源气体制造具有薄膜材料的器件的沉积组合
件，包括：
配置为接收所述源气体的真空室；
在所述真空室内用于支承晶片的安装表面；以及
丝线组合件，包括具有由碳化物形成的外表面的丝线以及用于施加电
流到所述丝线的电接触，其中当施加所述电流时，所述丝线被加热到至少
1400℃的温度。
9.权利要求8所述的组合件，其中所述丝线包括交织的丝线元件的
片，各丝线元件包括至少碳化物涂层，在所述丝线元件之间具有多个孔隙，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·朗德里，伊娜·马丁，马克西姆·舒布，查尔斯·特普林，约翰·马里纳，詹姆斯·波图加尔，
申请(专利权)人：可持续能源联盟有限责任公司，
类型：
国别省市：