專利名稱：快速大面積制備薄膜材料的裝置及設置方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備薄膜材料的裝置及設置方法，涉及用于半導體功能材料、太陽能電 池非晶硅和多晶硅薄膜材料制備的設備，具體為一種快速大面積制備薄膜材料的裝置及 設置方法。
背景技術：
Si、 Ge、 GaN、 GaAs等半導體功能材料具有極為廣泛的應用，制備的高質(zhì)量的薄膜 材料在微電子學、光電子學、太陽能轉(zhuǎn)換等方面具有愈來愈大的發(fā)展?jié)摿?。在已發(fā)展的薄膜制備方法和設備中，化學氣相沉積(CVD)是一種常用的薄膜沉積 手段，它是通過含有薄膜所需元素的反應氣體在襯底表面發(fā)生高溫熱解反應，從而在襯 底上成膜的技術。 一個典型的CVD過程包括以下幾個步驟(1)反應氣體引入反應腔并 被解離或激發(fā)，產(chǎn)生反應活性基；(2)反應活性基通過對流和擴散輸運到襯底表面；(3) 反應活性基被襯底表面吸附，并在襯底表面遷移、反應、成膜。CVD的優(yōu)點是可以生長 高質(zhì)量的外延層，可以獲得很好的摻雜和厚度的均勻性，摻雜和生長可同時進行。等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術是通過射頻(RF)電場來提供反應所需的 能量，射頻電場可以激勵淀積腔內(nèi)的氣體在襯底表面附近放電，通過電子的碰揸使氣體 分子發(fā)生分解，產(chǎn)生反應活性基，然后在襯底表面反應成膜。在PECVD系統(tǒng)中，襯底溫 度可以低至30(TC以下。但是，等離子增強化學氣相沉積技術的沉積速率低， 一般只有 l-3A/s，并且由于襯底沉浸在放電區(qū)，生長過程中可能會引起襯底和薄膜的等離子體 損傷，引入大量缺陷，影響薄膜的質(zhì)量。熱絲化學氣相沉積(HWCVD)利用高溫熱絲的催化作用，將反應氣體分解成活性反 應基團，在襯底表面成膜。熱絲法的缺點是薄膜的均勻性受熱絲幾何結(jié)構(gòu)的影響較大， 難以得到大面積均勻的薄膜材料。還可以通過電子束、激光等各種方式向反應氣體提供能量，使反應氣體發(fā)生分解、 反應、成膜，但通常這些設備復雜而昂貴，難以得到廣泛的應用。CVD的沉積速率還與襯底表面附近的局部反應氣體的濃度有關，增加反應氣體的分 壓可能加快薄膜的淀積速率，但是，當反應氣體的局部濃度過高，就會出現(xiàn)不期望的氣 相反應和固體顆粒的成核，這些顆粒會沉積在襯底表面而對生長的薄膜造成污染。這種
情況在PECVD中很常見。高壓氣體的高速射流由于在等離子區(qū)的駐留時間相當短，氣相 成核的幾率顯著減小，減少了成膜的缺陷。同時，高速射流可以克服擴散輸運的極限， 因而沉積速率較快。Sharafutdinov RG等人利用電子束激發(fā)噴射反應氣體，得到 15nm/s 的微晶和多晶硅薄膜沉積速率。Ma Tso-ping結(jié)合微波等離子體和噴射技術制備用于 CMOS器件的高質(zhì)量SiN介電膜。U. Kortshagen等人利用電容耦合等離子體(CCP)和 噴射技術制備尺寸可控的發(fā)光硅納米晶，得到波長可調(diào)的明銳的發(fā)光。因此，需要發(fā)展一種集上述各沉積技術優(yōu)點，可高速、高質(zhì)量、大面積、低溫成膜 的沉積方法與裝置。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是集現(xiàn)有化學氣相沉積的優(yōu)點，提出一種快速大面積制 備薄膜材料的裝置及設置方法，可以分別對等離子體和熱絲法兩個過程獨立地加以控制 與優(yōu)化，可高速、高質(zhì)量、大面積、低溫成膜。本發(fā)明的技術方案是快速大面積制備薄膜材料的設置方法，將導入原料氣的二至 四支噴管密封固定在真空沉積腔上方，導入沉積腔，反應氣體或與載氣由氣源導入噴管， 噴管的噴口出口處附近設置一金屬熱絲，在噴管外壁設有由可產(chǎn)生等離子體的電源驅(qū)動 的電感線圈，沉積腔內(nèi)設生長薄膜的襯底平臺，沉積腔的下部或下側(cè)部設有抽真空出口 管。做為本發(fā)明的改進，采用二支噴管時采用同軸雙噴管，腔體內(nèi)的襯底平臺是水平移 動的襯底平臺，同時襯底平臺是一個可加熱并進行溫度控制的襯底平臺。同軸雙噴管內(nèi)噴管導入原料氣，外噴管導入載氣，噴出的經(jīng)高溫熱絲催化解離的反 應氣體再受到外噴管中高密度等離子體的作用，充分解離、激發(fā)，活性粒子濃度提高， 再噴射到位于真空腔體內(nèi)的襯底表面，在襯底表面反應成膜。 一個步進裝置可以實現(xiàn)襯 底的水平移動，實現(xiàn)大面積成膜?？焖俅竺娣e制備薄膜材料裝置，包括真空沉積腔、導入原料氣的二至四支噴管、金 屬熱絲、產(chǎn)生等離子體的電感線圈、抽真空出口管構(gòu)成，所述噴管密封固定在沉積腔上 方，噴管的噴口出口處附近設置一電流導入的金屬熱絲，在噴管外壁設有由可產(chǎn)生等離 子體的電源驅(qū)動的電感線圈，沉積腔內(nèi)設有生長薄膜的襯底平臺，沉積腔的下部或下側(cè) 部設有抽真空出口管。產(chǎn)生等離子體的電源的頻率可以是高頻、射頻、甚高頻或超高頻。
做為對本發(fā)明裝置的改進，采用二支噴管時采用同軸雙噴管，腔體內(nèi)的襯底平臺是 水平移動的襯底平臺。本發(fā)明制備薄膜材料裝置具有成膜質(zhì)量高、沉積速率快、生長溫度低，氣體利用率 高等優(yōu)點?？焖俅竺娣e制備薄膜材料裝置中，反應氣體經(jīng)過高溫熱絲和高密度等離子體 的雙重作用，氣體的分解效率提高，活性粒子的濃度增大。超音速的射流可以克服擴散 輸運的極限，在等離子區(qū)的駐留時間相當短，極大的減小了氣相成核的幾率，減少了成 膜的缺陷，從而提高薄膜的質(zhì)量。同時，這種原料氣的導入或輸運方法和裝置可以使反 應活性基的形成與聚合成膜兩個過程分開，因而可以對這兩個過程獨立地加以控制與優(yōu) 化。反應活性基的形成區(qū)與成膜區(qū)分開，可以有效減小等離子體對薄膜的損傷。以較高 速度(例如以超音速)噴射到生長表面的高活性的反應前驅(qū)體具有較大的動能，碰撞后 剩余的能量可保證活性基團在襯底表面實現(xiàn)成核和遷移，因此可在低溫下成膜。由于氣 體的高速噴射，形成的沖擊波對周圍氣體有排斥作用，因而對真空的要求不是很高，從 而無需復雜而昂貴的高真空設備。


圖1為噴射型熱絲等離子體化學氣相沉積裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為電子密度和氣體溫度與噴嘴距離的關系曲線。
具體實施方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的具體實施方式
。如圖1所示，本發(fā)明裝置包括 一個真空室l,裝有真空抽氣設備由抽氣孔20將室 內(nèi)氣體抽出； 一個石英同軸雙噴管由密封法蘭固定在真空室l上，載氣由管道6經(jīng)質(zhì)量 流量計7調(diào)節(jié)后進入外噴管2，由噴口 4噴射到位于真空室內(nèi)樣品臺16上的襯底14上， 樣品臺由一個傳動裝置19驅(qū)動，可以在平面內(nèi)平移；內(nèi)噴管3由管道5通入反應氣體， 其外側(cè)設置一對電極9，連接熱絲電源10和位于內(nèi)噴管出口處的金屬熱絲8;外噴管外 壁繞有帶有水冷的銅管線圈11與射頻電源12連接。本發(fā)明裝置的工作過程如下將清洗過的襯底14放置在樣品臺16上，然后用真空 泵通過抽氣孔21將腔體預抽真空到基壓1 Pa以下。載氣由氣源經(jīng)質(zhì)量流量計7控制， 由管道6進入外噴管2，噴管內(nèi)氣壓可由進氣流量調(diào)節(jié)到適當范圍。開啟射頻電源12，
并調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡13，使管內(nèi)氣體起輝，產(chǎn)生高密度等離子體，調(diào)節(jié)一個適當?shù)纳漕l輸入 功率，管2內(nèi)的等離子體密度可高達~ 10'2cm—3。采用少量N2追蹤的發(fā)射光譜測溫法， 可以推知到在噴管(1)， (2), (3)處對應等離子體氣體的溫度在60(fC—900t之間， 噴管中(1)， (2)， (3)處的電子密度和氣體溫度與噴嘴距離的關系曲線如圖2所示。 噴嘴4處的等離子體羽輝噴射到真空室1內(nèi)的基片14表面，可根據(jù)實際要求，選擇不 同規(guī)格的噴管尺寸，從而對襯底進行不同程度的預清洗和表面加熱處理。開啟熱絲電源 10對熱絲8加熱到設定溫度后，經(jīng)過稀釋的反應氣體經(jīng)質(zhì)量流量計調(diào)節(jié)后由管道5通入 內(nèi)噴管3，內(nèi)噴管內(nèi)維持高氣壓，以抑制內(nèi)噴管內(nèi)氣體輝光放電，反應氣體經(jīng)高溫熱絲 催化解離后進入電感線圈11激勵的等離子區(qū)，進一步地解離、激發(fā)，再和載氣一起噴 射到襯底上，在襯底表面反應成膜。在沉積過程中，調(diào)節(jié)抽氣速率使真空室內(nèi)氣壓與外 噴管內(nèi)有一定的氣壓差，外噴管內(nèi)的氣體進入真空室后速度可達lkm/sec，形成高速射 流。襯底可由傳動裝置19驅(qū)動在平面內(nèi)平移，形成大面積均勻的薄膜。襯底由位于樣 品臺內(nèi)的加熱絲15加熱，溫度由熱偶18和溫控裝置17控制。反應尾氣由真空泵抽出。
多晶硅薄膜生長條件熱絲溫度1400'C—250(TC，等離子電源頻率為13.56MHz (或 更高)，襯底溫度從室溫至450'C，硅烷濃度1%—5% (氫氣稀釋)，生長速率可達10nm/s 以上。預真空10—3Torr。
氮化硅薄膜的生長條件內(nèi)管通入氫氣(或氦氣)稀釋的濃度為5%的硅烷，外管通 入氮氣(也可用氫氣或氦氣稀釋)，等離子等離子頻率8-12MHz，其它條件基本同多晶 硅薄膜，通過調(diào)節(jié)硅烷和氮氣的流量比來控制薄膜的化學配比和沉積速率。
權(quán)利要求
1、快速大面積制備薄膜材料的設置方法，其特征是將導入原料氣的二至四支噴管密封固定在真空沉積腔上方導入沉積腔，反應氣體或與載氣由氣源導入噴管，噴管的噴口出口處附近設置一金屬熱絲，在噴管外徑設有由可產(chǎn)生等離子體的電源驅(qū)動的電感線圈，沉積腔內(nèi)設有生長薄膜的襯底平臺，沉積腔的下部或下側(cè)部設有抽真空出口管。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速大面積制備薄膜材料裝置的設置方法，其特征是采 用二支噴管時采用同軸雙噴管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的快速大面積制備薄膜材料的設置方法，其特征是腔 體內(nèi)的襯底平臺是水平移動的襯底平臺。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的快速大面積制備薄膜材料的設置方法，其特征是產(chǎn) 生等離子體的電源的頻率是高頻、射頻、甚高頻或超高頻。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速大面積制備薄膜材料的設置方法，其特征是產(chǎn)生等 離子體的電源的頻率是高頻、射頻、甚高頻或超高頻。
6、 快速大面積制備薄膜材料裝置，其特征是包括真空沉積腔、導入原料氣的二至 四支噴管、金屬熱絲、產(chǎn)生等離子體的電感線圈、抽真空出口管構(gòu)成，所述噴管密封固 定在沉積腔上方，噴管的噴口出口處附近設置一電流導入的金屬熱絲，在噴管外徑設有 由可產(chǎn)生等離子體的電源驅(qū)動的電感線圈，沉積腔內(nèi)設有生長薄膜的襯底平臺，沉積腔 的下部或下側(cè)部設有抽真空出口管。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的快速大面積制備薄膜材料裝置，其特征是釆用二支噴管 時采用同軸雙噴管。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的快速大面積制備薄膜材料裝置，其特征是腔體內(nèi)的 襯底平臺是水平移動的襯底平臺。
全文摘要
本發(fā)明將導入原料氣的二至四支噴管密封固定在真空沉積腔上方導入沉積腔，反應氣體或與載氣由氣源導入噴管，噴管的噴口出口處附近設置一金屬熱絲，在噴管外壁設有由可產(chǎn)生等離子體的電源驅(qū)動的電感線圈，沉積腔內(nèi)設生長薄膜的襯底平臺，沉積腔的下部或下側(cè)部設有抽真空出口管。本發(fā)明制備薄膜材料裝置具有成膜質(zhì)量高、沉積速率快、生長溫度低，氣體利用率高等優(yōu)點。
文檔編號C23C16/50GK101158034SQ20071013345
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者左則文, 榮 張, 毅 施, 林 濮, 王軍轉(zhuǎn), 謝自立, 煜 辛, 鄭有炓, 平 韓, 顧書林 申請人:南京大學;蘇州大學