专利名称：等离子体增强化学气相沉积系统中的压差控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积薄膜，特别是薄硅膜中的改进。更详细地，本发明涉及在现有技术中已知的平行板反应器中使用的沉积工艺的改进。
背景技术：
通过低温PECVD生长的器件级氢化非晶硅(a_S1:H)材料通常采用低压力、低损耗的沉积方式。通过使用具有高效喷淋式气体分配系统的合适的等温反应器来确保大范围均匀性，该喷淋式气体分配系统用于在整个衬底区域进入等离子区之前，在整个衬底区域上方控制气体预热和气体成分二者。在沉积期间的污染问题可以通过使用在等离子体被合适地限定的实际沉积室与外部真空室之间的小泄露气体传导进行规避，这允许在沉积期间建立压差，在沉积室内部具有较高的压力。US4, 989，543示出允许在压差条件下操作的沉积系统。其涉及一种用于使用等离子沉积工艺来制造薄膜的装置，该装置具有用于容纳至少一个衬底的非气密壳，在非气密壳中，主压力(prevailing pressure)小于大气压力；用于在所述壳内部产生容纳所述至少一个衬底的等离子区的装置；围绕所述壳的气密室，所述室保持在比所述壳内的压力低的压力下。该在外部气密室布置中的内部非气密壳在本领域中也被称为Plasmabox反应器。US4，989，543建议用于内部壳的压力为IO1Pa,而可以将外部室用泵抽至大约KT4Pa至I (T5Pa。到目前为止，这种或类似的设备用于典型的沉积压力为2.5mbar或更低的条件下，生长速率最高为大约5A/s的微晶硅(y c-S1:H)沉积。现有技术中的缺点 然而，在较高压力和/或较高损耗的工作条件下生长U c-S1:H是在保持器件级质量材料的同时达到较高增长率的典型的先决条件。由于气体拖拽力的存在以及与硅烷相比氢气的更高的扩散性，所以在Plasmabox反应器的泄露附近会产生硅烷浓度的局部富集。在外部室和等离子体反应室之间的较高压差下特别有利于这种局部富集，并且因此，在较高等离子体操作压力下增强这种局部富集。这种局部较高硅烷的浓度有利于所公知的在硅烷等离子体中形成的不期望粉末。然而，由于这种粉末可以产生较强的不稳定性，所以其对于均匀性和整体的再现性而言是有害的。因此，即使这种局部粉末形成位于内部等离子室的外围边缘处，也可以显著地影响整个放电电气参数并且影响所沉积材料的质量(材料的厚度、缺陷、结晶度和质量)。由在这些方式下形成的粉末而导致的不均匀性和不稳定性是在那些甚至具有窄电极间隙配置的大面积反应器中、在高速率或非常高的压力方式下生长高质量材料的限制参数。发明细节针对使用压差概念的PECVD系统，本发明涉及在沉积室外部的区域中建立良好限定的压力，以精确地控制和调整在等离子区域附近的立即的(immediate)压降比，以避免局部硅烷富集并且限制气体拖拽力:其在保持静止的受控局部压降以避免受到外部污染的同时，限制由于粉末形成而导致的上述问题。外部气体成分可以被同样稀释或者也可以独立于在等离子体室中所注入的气体被控制，并且可以通过不同的方式独立地控制压力:例如，使用现有系统上的蝶形阀或同时适当地限定各室之间的气体泄露传导，使得压力比可以在尽可能低至平衡的范围内变动。也可以使用其它气体来控制压降(H2、He、Ar和N2等)。例如,可以在具有Plasmabox设计的当前系统中，通过在接近于沉积室中所使用的压力的压力下用气体填充整个外部容积使得压差变得更小来实现这种受控的压降。具有在等离子室和外部室中间的中间压力区的新设计也可以用作缓冲区(无等离子体)，以适当地控制气体的压降和污染二者。因此，该解决方案允许在显著较高工作压力和/或较高损耗的方式下使用Plasmabox反应器，允许在不太受粉末形成的限制的情况下在大的表面上方有较高生长速率和较好材料质量。发明的详细描述
图1示出Plasmabox反应器的基本结构。其示出内部非气密壳20，在内部非气密壳20中，可以建立低于大气压力的主压力。省略了用于在所述壳内部产生容纳至少一个衬底的等离子区的装置。在操作期间，保持围绕所述壳20的气密室10在比所述壳20内部的压力低的压力。泵浦线路30用作内部壳20和外部室10 二者的排气口。蝶形阀50允许分配壳20和室10之间的泵浦效果，如此建立室10和壳20之间的压力差。压差的定义:AP=Pin-Ptj^ Pin是在发生等离子体辅助(PECVD)沉积的容积中的压力，并且Ptjut是指在围绕PECVD反应器的真空室中的压力。图2示出标准工 艺，其中，根据US4，989，543的教导建立了“高”压差AF Pin。在外部室中的压力Pout Imbar,因此，A P=Pin-Pout导致A F Pin0根据本发明的改进的工艺在图3中示出，并且需要“低”压差AF Ombar或A F〈I mbar,从而导致 Pin Pout。为了允许精确地控制低压差，建议使用两个独立的蝶形阀，一个蝶形阀控制外部气密室的排气口，并且一个蝶形阀控制内部非气密壳或反应器中的压力。取决于配置，可以采用一个或两个阀的布置，这取决于整个沉积系统的配置。示例在KA1-M系统中用于微晶硅层的沉积条件:13.56MHz、电极间的间隙13mm、450W、
9.0mbar和2500sccm H2。在研究A)中，在沉积期间施加强大的差动泵浦产生的压差为8mbar(即，根据图2)。在B)中，减少在PECVD反应器周围的泵浦，以在保持沉积压力为9.0mbar的同时，仅得到0.5mbar的压差。输入硅烷浓度不得不补偿通常压差的缺少，以得到相同的拉曼结晶度:38sCCmSiH4 (研究A)、而不是34sccm SiH4 (研究B)图4:使用高压差(>8mbar)的沉积，其中，在U c_S1:H沉积中央区域(Re 50%)周围，a_S1:H沉积区可以被清楚地识别(Rc〈10%)。局部不均匀性导致位于接近于附图标记2处的侧窗口的显著沉积，然而，在位于区域2的窗口处可以看到干净的窗口。
图5:根据本发明的实施例使用低压差(0.5mbar)的沉积，其中，在U c_S1:H生长的整个衬底区域上方，拉曼结晶度(Re)被良好保持在大约50%(+/-10%之内)。在位置3和位置4处的干净的侧窗口证实了该结果。在p-1-n器件中实施图4和图5 二者的y c_S1:H材料得到相同的太阳能电池性能。这表明获得了相同的材料质量，然而，图5的沉积条件大大改善了均匀性。因此，对于均匀生长而言期望的是在高压力小压差下生长微晶硅。此外，有利地是控制和调整在PECVD Plasmabox周围的压力以限定等离子体压力的功能，如Ptjut=0.5Pin、Pout=0.75Pin或Pwt=0.95Pin (从最大压差到平衡的理想地控制)。本发明的其它优点在高压力方式下，可以大大减少施加到反应器部件上的从内朝外的力，当外部真空室和内部等离子室之间的气体压差减少时，导致也可能影响泄漏率的机械应力和/或变形的降低。在具有IOmbar压差的KA1-1200中的Plasmabox的端板上施加的力的粗算为大约140Kg。由于降低作用到设备上的机械力，也可以提高寿命和减少维护时间。生产堆反应塔的Plasmabox之间的Plasmabox泄漏率可能不同，导致用于生长微晶硅的沉积方式的差异，并且最终增加反应器之间器件性能的分散。该解决方案也可以通过限制泄漏率对等离子体条件的影响来良好地缓解该问题。压差的调整增加了额外的自由度以控制从非晶硅到微结晶硅的转变，随着从普通的差动泵浦的存在至Ptjut=Pin趋向于有利于a_S1:H的生长。由于常规差动泵浦有利于非晶生长，所以减少压差(至Pwt=Pin)允许更好地控制生长在衬底区域上方的从微晶硅到非晶硅的转变。限制粉末形成也 有利于使用基于SF6、NF3或F2的现有溶剂的反应器清洗。
权利要求
1.一种用于在沉积系统中制造薄膜的方法，所述系统包括用于容纳至少一个衬底的内部非气密壳、完全围绕所述壳的外部气密室、工作上连接到内部非气密壳与外部气密室二者的排气口，所述排气口保持所述室的压力低于所述壳内的压力，其特征在于:在操作期间，在内部非气密壳和外部气密室之间建立小于Imbar的压差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使在内部壳中的压力Pin与外部室中的压力Pwt之间的所述压差 A P =Pin-Pout 满足=Prat=0.5Pin 或 Prat=0.75Pin 或 Prat=0.95Pin。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述内部非气密壳中的压力为9mbar并且压差为0.5mbar的条件下沉积微晶娃层。
4.一种 用于使用等离子沉积工艺来制造薄膜的装置，包括:用于容纳至少一个衬底的内部非气密壳，在所述内部非气密壳中主压力小于大气压力；围绕所述壳的外部气密室，所述室被保持在比所述壳的内部的压力低的压力下；工作上连接到气密室和非气密壳二者的排气口，所述装置还包括至少两个蝶形阀，所述蝶形阀分别布置在排气口与内部壳以及排气口与外部室之间，用于控制内部壳与外部室之间的所述压差，并且所述蝶形阀被配置为在内部非气密壳和外部气密室之间建立小于Imbar的压差。
全文摘要
描述了一种用于制造薄膜的方法和装置，其中，在沉积系统中包括用于容纳至少一个衬底的内部非气密壳、完全围绕所述壳的外部气密室、工作上连接到内部非气密壳与外部气密室二者的排气口，所述内部室被保持压力低于所述外部壳的内部的压力，特别地压差小于1mbar。该装置可以呈现布置在内部壳与排气口以及外部室与排气口之间的用于控制所述压差的两个蝶形阀。
文档编号C23C16/455GK103119199SQ201180042600
公开日2013年5月22日 申请日期2011年9月2日 优先权日2010年9月3日
发明者格里戈里·比尼翁 申请人:Tel太阳能公司