专利名称：经由磁约束获得的带电微粒耗尽等离子体的薄膜沉积的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高光伏效率以高沉积率进行光伏材料的等离子体沉积。本发明认识到，现有技术的沉积过程中使用的等离子体是未经提炼的并且包括有损光伏效率的电离粒种。在本发明中，借助于磁场来操纵由一种或多种前体形成的等离子体以提供更有益于在沉积状态下具有低缺陷浓度的薄膜或光伏材料的形成的沉积介质。在本发明中，等离子体由一个或多个沉积前体形成，并且其合成物被控制以提供具有与沉积表面相邻的生长粒种的最优分配的沉积介质。等离子体的特性由磁场来控制， 所述磁场被配置为降低电离粒种的浓度并且提高中性粒种的浓度。中性粒种包括电荷中性分子和电荷中性自由基。在一个实施方案中，磁场提高了等离子体中中性粒种相对于电离粒种的浓度。在另一实施方案中，磁场提高了等离子体中激励状态的中性粒种相对于电离粒种的浓度。等离子体富含中性粒种通过减少电离粒种的存在并且避免电离粒种和薄膜材料之间的不利交互作用来促进沉积的薄膜材料的形成。在一个实施方案中，所述方法包括将一个或多个沉积前体递送到等离子体源室， 所述等离子体源室被装备以从其形成等离子体；借助于磁场来操纵得到的等离子体以形成中性富化粒种或激励状态的中性粒种的沉积介质；从等离子体源室排出富化沉积介质；以及将来自排出的富化沉积及诶只的薄膜材料沉积在位于等离子体源室外部的衬底上。中性富化沉积介质还可被视为带电微粒耗尽沉积介质。等离子体源室还可以包括一种或多种背景气体，背景气体可参与等离子体形成过程和/或在其退出等离子体源室时伴随带电微粒耗尽沉积介质。在另一实施方案中，等离子体的磁操纵发生于衬底的附近。在该实施方案中，衬底位于沉积装置内，装有所述沉积装置以形成等离子体。所述装置包括用于形成等离子体的阴极和阳极。沉积装置包括用于将一个或多个沉积前体、背景气体、能量传递气体等递送到
6装置的等离子体区域或周围的一个或多个喷射点。在一个实施方案中，衬底用作阳极。在另一实施方案中，衬底与阳极电连通或进行物理接触。沉积前体被喷射到沉积装置中并且在阳极和阴极之间施加电场时转变为等离子体。然后，通过磁场操纵等离子体以形成富含中性粒种并且耗尽带电粒种(离子或电子)的沉积介质。在一个实施方案中，带电微粒耗尽沉积介质与衬底直接相邻形成，而在另一实施方案中，带电微粒耗尽沉积介质远离衬底形成并且指向衬底。薄膜材料随后沉积在衬底上。装置可以包括一个或多个附加的沉积室， 用于按期望方式同时沉积附加的层或材料。在一个实施方案中，沉积装置允许在连续网状衬底上形成薄膜材料。在一个实施方案中，等离子体的磁操纵包括限制等离子体的空间尺寸。空间尺寸的限制可以包括将等离子体约束到特定空间区域或者控制等离子体区域的形状。在一个实施方案中，磁场用于将等离子体压缩在一个或多个位置处以使等离子体的成分之间的平均间距减小。减小的间距促进了带电或电离粒种的消失或耗尽并且有利于使用中性或激励状态的中性粒种富化等离子体以形成沉积介质。磁场可以为永久性的或可变的(时间上或空间上)。在一个实施方案中，磁场的强度在空间上是非均勻的。磁场强度可以沿着衬底的方向在沉积装置内或者沿着中性富化或带电微粒耗尽沉积介质的排出点的方向在等离子体源室内逐渐增加。
图1示出了在等离子体沉积过程中选择的可由硅烷形成的电离粒种和中性粒种。图2为等离子体上的磁效应的示意示。图3为等离子体上的非均勻磁场效应的示意示。图4为等离子体上的非均勻磁场效应的示意示。图5示出了由微波等离子体生成中性富化沉积介质的远程源的示意示。发明详述本发明集中在设计等离子体的状态来使沉积的薄膜材料的结构和电子品质最优化的等离子体沉积过程。在一个实施方案中，薄膜材料为光伏材料。设计本发明来补偿在常规等离子体沉积过程中使用的等离子体中存在的有损沉积的光伏材料的性能的状况。在等离子体沉积过程中，通常首先将一种或多种前体递送到沉积室的等离子体初始化区域来形成等离子体。前体可以单独被递送或作为混合流被递送。还可以存在载流子气体或背景气体。等离子体初始化区域位于阴极和阳极之间，并且通过在阳极和阴极之间施加高强度电场来形成等离子体。等离子体在其上方延伸的区域可被称为等离子体区域。 可通过DC或AC电场来保持等离子体。AC电池可施加在微波频率(例如，2. 45GHz)、射频 (例如，13. 58MHz)、UHF频率或VHF频率处。在常规过程中形成的等离子体包括处于稳态、动态平衡状态的粒种的随机和混沌分布。粒种可以包括源材料(例如，前体或载流子气体)的分子以及亚稳定中间粒种的分布。亚稳定粒种包括从前体或载流子气体分子的元素和碎片获得的离子、离子基和中性基。 亚稳定粒种可存在于接地状态、一个或多个激励状态或它们的组合。通过实施例的方式，通过将分子前体硅烷(SiH4)递送到等离子体室而发生无定形硅的等离子体沉积。图1示出了当硅烷被激活而形成等离子体时可存在的可能的亚稳定粒种。存在于硅烷等离子体中的亚稳定中间体包括各种离子、基和分子粒种。基可以为中性或带电的。中性基包括SiH3、SiH2、SiH、Si和H。粒种可以处于接地电子状态或激励电子状态(由星号表示(例如，SiH*为处于激励电子状态的中性基))。在普通硅烷等离子体中形成所选粒种的数量密度和激励能量列于下面。
权利要求
1.一种形成薄膜材料的方法，包括提供一种或多种前体；激活所述前体以形成等离子体，所述等离子体包括多种粒种，所述多个粒种包括一个或多个带电粒种以及一个或多个中性粒种；借助于磁场来操纵所述等离子体，对所述等离子体的所述操纵降低了所述等离子体中所述带电粒种的浓度，从而生成带电微粒耗尽沉积介质；以及由所述带电微粒耗尽沉积介质形成薄膜材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述一种或多种前体包括包含硅或锗的前体。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述一种或多种前体包括选自由SiH4、Si2H6、烷基置换的硅烷、GeH4, Ge2H6、烷基置换的锗烷、SiF4, SiF4的氟化形式、GeF4以及GeH4的氟化形式组成的组中的前体。
4.如权利要求2所述的方法，其中，借助于所述磁场对所述等离子体的所述操纵提高了中性SiH3粒种的浓度。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述一种或多种前体包括包含硅的前体和包含锗的前体。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述一种或多种前体包括SiH4和GeH4。
7.如权利要求2所述的方法，其中，所述薄膜材料的缺陷浓度小于lX1016cnT3。
8.如权利要求2所述的方法，其中，所述薄膜材料的缺陷浓度小于lX1015cnT3。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述一种或多种前体包括包含氟或氢的前体。
10.如权利要求9所述的方法，其中，借助于所述磁场对所述等离子体的所述操纵提高了中性F粒种的浓度。
11.如权利要求2所述的方法，其中，所述一种或多种前体进一步包括包含掺杂元素的前体。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述掺杂前体包含硼或磷。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述激活前体包括提供第一电极；提供第二电极；所述磁场与从所述第一电极向所述第二电极延伸的方向对准；以及在所述第一电极和所述第二电极之间设置电场，所述电场限定等离子体激活区域，来自所述前体的所述等离子体形成在所述等离子体激活区域中。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述磁场的强度沿着从所述第一电极向所述第二电极延伸的所述方向是均勻的。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述磁场的强度在从所述第一电极向所述第二电极延伸的所述方向上在第一距离上方单调地增大。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述磁场的强度在从所述第一电极向所述第二电极延伸的所述方向上在第二距离上方单调地减小。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述薄膜的所述形成发生于所述等离子体激活区域的外部。
18.如权利要求1所述的方法，其中，借助于所述磁场对所述等离子体的所述操纵包含减小所述等离子体的体积。
19.如权利要求1所述的方法，其中，借助于所述磁场对所述等离子体的所述操纵提高了所述等离子体中所述中性粒种的浓度。
20.如权利要求1所述的方法，其中，借助于所述磁场对所述等离子体的所述操纵引发了所述等离子或所述等离子体内的回旋运动。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述回旋运动包括螺旋形运动。
22.如权利要求20所述的方法，其中，所述回旋运动在所述等离子体内形成了富含所述带电粒种的区域和富含所述中性粒种的区域。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述回旋运动降低了所述带电粒种之间的平均空间分离度。
24.如权利要求1所述的方法，其中，借助于所述磁场对所述等离子体的所述操纵引发了带正电粒种与带负电粒种的再结合，所述再结合有助于所述带电粒种的浓度的所述降低。
25.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁场随时间变化。
26.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁场的强度至少为250高斯。
27.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁场的强度至少为500高斯。
28.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁场的强度至少为1000高斯。
29.如权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体建立于射频或微波频率处。
30.如权利要求四所述的方法，其中，所述磁场在所述等离子体内建立了电子回旋加速条件。
31.如权利要求四所述的方法，其中，对于所述电离粒种中的至少一个，所述磁场在所述等离子体内建立了离子回旋加速条件。
32.如权利要求1所述的方法，其中，所述激活发生在装有出口的室内，所述等离子体形成在所述室内，所述磁场的所述操纵以形成所述带电微粒耗尽沉积介质发生在所述室中，所述带电微粒耗尽沉积介质通过所述出口退出所述室，所述退出带电微粒耗尽沉积介质撞击位于所述室外部的衬底以形成薄膜材料。
33.如权利要求32所述的方法，其中，所述出口包括喷嘴。
34.如权利要求33所述的方法，其中，电势施加到所述喷嘴，所述电势有助于激活所述前体以形成所述等离子体。
35.如权利要求32所述的方法，其中，所述出口为磁镜。
36.如权利要求1所述的方法，其中，所述前体的所述激活发生于存在所述磁场的情况下。
37.如权利要求1所述的方法，其中，所述薄膜材料为光伏材料。
38.如权利要求1所述的方法，进一步包括提供第二前体，在形成所述薄膜材料之后提供所述第二前体。
39.如权利要求38所述的方法，进一步包括由所述第二前体形成第二薄膜材料，所述第二薄膜材料形成在所述薄膜材料上。
40.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述带电微粒耗尽沉积介质与所述等离子体分离。
41.如权利要求1所述的方法，其中，所述中性粒种与所述带电粒种的数量密度比大于~104 1。
42.如权利要求1所述的方法，其中，所述中性粒种与所述带电粒种的数量密度比大于 106 I0
全文摘要
在存在磁场的情况下经由等离子体沉积过程形成薄膜材料的方法和装置。前体被递送到沉积室并且被激活以形成等离子体。等离子体可在存在磁场的情况下被初始化或者在初始化之后经过磁场。等离子体包括从前体获得的电离粒种和中性粒种，并且磁场操纵等离子体以实现电离粒种种群的减少和中性粒种的种群的增加。随后，由得到的富含中性沉积介质形成薄膜材料。所述方法使得可以形成具有低密度缺陷的薄膜材料。在一个实施方案中，薄膜材料为光伏材料，并且对缺陷的抑制使得光伏效率提高。
文档编号H01L31/18GK102388468SQ201080015775
公开日2012年3月21日 申请日期2010年4月26日 优先权日2009年4月24日
发明者S·奥维辛斯基 申请人:奥维新斯基创新有限公司