一種低溫多晶硅薄膜的制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種低溫多晶薄膜的制備裝置，特別是指在薄膜晶體管(ThinFilm Transistor, TFT)和薄膜太陽電池領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的娃基薄膜材料沉積設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅薄膜(p-Si)在結(jié)構(gòu)有序度上介于單晶硅和非晶硅之間。有序度的提高使得多晶硅薄膜的電學(xué)性能相比于非晶硅薄膜有很大提升，如更高的電子迀移率(低溫多晶硅電子迀移率是非晶硅400倍以上，高達(dá)200cm2/V.sec)，更低的暗電流和更佳的熱穩(wěn)定性。薄膜晶體管TFT驅(qū)動(dòng)電路是提高液晶顯示(LCD)質(zhì)量的關(guān)鍵一步。目前，基于成本控制原因，大部分TFT陣列仍采用廉價(jià)的非晶硅薄膜(a-Si)制造。如采用多晶硅薄膜晶體管(p-Si TFT)技術(shù)，TFT器件體積將更小，提高了單個(gè)像素的“開口率”，進(jìn)而增強(qiáng)顯示器亮度，降低能耗。而且，p-Si TFT驅(qū)動(dòng)IC可與玻璃基板集成，避免傳統(tǒng)a-Si TFT的分離式設(shè)計(jì)，使驅(qū)動(dòng)IC與玻璃基板之間的連接器數(shù)量從a-Si TFT的4000個(gè)左右降低到200個(gè)以下，顯示屏可以做得更輕更薄，降低了模塊制造成本，提高了器件的工作穩(wěn)定性，也與筆記本電腦和平板電腦輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)。在薄膜光伏領(lǐng)域，如采用多晶硅薄膜替代非晶硅薄膜，可望提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和工作穩(wěn)定性，推動(dòng)薄膜光伏器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，非晶硅(a-Si)薄膜太陽電池雖實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，但受制于a-Si材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電學(xué)性能，該類組件轉(zhuǎn)換效率一般低于8%，遠(yuǎn)低于單晶硅的20%以上的主流效率，且存在嚴(yán)重光致衰退(S-W)效應(yīng)，多年來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)一直不明顯。因此，采用電學(xué)性能更好結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的多晶硅薄膜替代非晶硅薄膜制造半導(dǎo)體器件，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的必然要求。
[0003]早期，為獲得多晶硅薄膜，常采用高溫工藝技術(shù)，如快速熱退火(Rapid ThermalAnnealing, RTA)或高溫固相晶化(Solid Phase Crystalline, SPC)。此時(shí)的工藝溫度至少超過800°C，普通玻璃早發(fā)生軟化熔融而根本無法使用，只有使用耐溫性能更好的石英基片。然而，石英玻璃往往價(jià)格昂貴且尺寸較小，無法適應(yīng)大尺寸顯示面板和大面積薄膜光伏器件制造的需要。為此，大部分廠商只能選擇廉價(jià)的a-Si薄膜材料制造TFT器件或太陽電池。
[0004]目前，發(fā)展低溫多晶娃(LowTemperature Polycrystalline Silicon, LTPS)技術(shù)已成為業(yè)界共識(shí)。LTPS的現(xiàn)有主流工藝技術(shù)有兩種:金屬誘導(dǎo)橫向晶化法(Metal InducedLateral Crystallizat1n, MILC)和準(zhǔn)分子激光晶化法(Excimer Laser Annealing, ELA)。兩種方法的共同點(diǎn)是需要在襯底上預(yù)先沉積a-Si薄膜(一般是通過低壓CVD或電容耦合式的等離子體增強(qiáng)CVD制備)，再通過熱退火或激光局部加熱促使a-Si薄膜晶化，得到多晶硅薄膜。相對(duì)于快速熱退火(RTA)、固相晶化(SPC)等高溫晶化工藝，兩者均實(shí)現(xiàn)了晶化溫度的大幅度下降，一般可在500?600°C的工藝溫度下即可完成轉(zhuǎn)化。如，中國(guó)專利“一種橫向誘導(dǎo)晶化低溫多晶硅薄膜的方法”(CN10185378 A)提供了一種MILC技術(shù)，采用鎳作為催化劑在惰性保護(hù)氣體環(huán)境、590°C下退火I小時(shí)得到多晶硅薄膜。中國(guó)專利(CN102709160A)則提供一種ELA技術(shù)獲得低溫多晶硅薄膜，該制作方法對(duì)非晶硅層進(jìn)行準(zhǔn)分子激光退火得到多晶硅薄膜，晶粒尺寸較大，分布均勻。
[0005]然而，MILC和ELA均需要預(yù)制a_Si薄膜，再通過后期晶化工藝轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч璞∧?，?shí)際上存在不少缺點(diǎn)。比如，MILC易造成金屬污染，工藝時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)。ELA的缺點(diǎn)是晶粒尺寸對(duì)激光功率敏感，不適合大面積均勻薄膜的晶化且設(shè)備成本高。同時(shí)，限于a-Si薄膜對(duì)激光能量的強(qiáng)烈吸收能力，ELA晶化形成的多晶硅薄膜厚度一般小于lOOnm。
[0006]為簡(jiǎn)化半導(dǎo)體器件的制作工序，降低制造成本，人們?cè)噲D在不超過350°C基片溫度下在廉價(jià)玻璃或塑料襯底上直接沉積低溫多晶硅薄膜。目前，大部分器件級(jí)Si薄膜均采用化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposit1n, CVD)制備。相比于物理方法，化學(xué)方法制備的Si薄膜結(jié)晶質(zhì)量更高，粒徑分布均勻，光電性能最好。CVD工藝要實(shí)現(xiàn)直接沉積低溫多晶硅薄膜，需要極大提高SiH、SiH2等反應(yīng)基團(tuán)的活性，即提高其在基片表面的迀移率。分解反應(yīng)氣體多采用效果更好的輝光放電方式。然而，傳統(tǒng)電容耦合式輝光放電的等離子體密度較低(?19CnT3)，放電氣壓較高(10Pa以上)，當(dāng)用于Si薄膜的制備時(shí)，沉積薄膜多為非晶態(tài)，仍需高溫退火晶化，而且沉積速率低、膜厚均勻性差、難以避免大劑量離子對(duì)生長(zhǎng)表面的轟擊損傷，不適合制備高質(zhì)量的大面積均勻薄膜。近年來，電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)由于能在較低的氣壓(可達(dá)0.1Pa)下維持大面積均勻的高密度等離子體受到廣泛關(guān)注。ICP-CVD技術(shù)的薄膜沉積速率高，沉積薄膜結(jié)晶質(zhì)量好，是一種具有較好發(fā)展前景的低溫多晶硅薄膜直接沉積法。
[0007]中國(guó)專利“一種低溫多晶硅薄膜器件及其制造方法與設(shè)備”(CN 100537838 C)和“用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置和方法”(CN101512042 B)均提出了一種采用ICP等離子體直接制備低溫多晶硅的工藝路線，獲得了不錯(cuò)的結(jié)晶質(zhì)量。然而，由于ICP放電機(jī)制原因，等離子體往往邊緣密度大，中央?yún)^(qū)域小，沉積薄膜厚度不均勻。此外，ICP中離子對(duì)電極的轟擊帶來污染也不可忽視。本實(shí)用新型在于提出一種新型電極結(jié)構(gòu)的ICP-CVD硅基薄膜沉積設(shè)備，并通過優(yōu)化電極放置方式及磁場(chǎng)控制陣列，獲得均勻的高密度等離子體，為大面積均勻高質(zhì)量多晶硅薄膜材料的制備提供一種重要裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為提高ICP-CVD設(shè)備沉積硅基薄膜的均勻性，提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量，本實(shí)用新型提供一種ICP-CVD沉積裝置，該裝置的輝光放電線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并通過介質(zhì)層與反應(yīng)室隔開，同時(shí)采用磁約束技術(shù)，提高等離子均勻性。
[0009]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:(I)采用平面螺旋電感線圈作為放電電極。該線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可激發(fā)均勻的等離子體，有利于提高制備薄膜的結(jié)晶質(zhì)量及厚度均勻性；(2)采用外置式的放電方式。通過石英介質(zhì)層將平面螺旋線圈與多晶硅薄膜沉積室分離，消除了等離子體中高能離子對(duì)電極材料表面的轟擊，有效避免電極材料對(duì)沉積硅基薄膜的污染；(3)為進(jìn)一步提供等離子體均勻性，采用環(huán)形磁鐵陣列對(duì)產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行磁約束，改善薄膜沉積上方二維平面的等離子體均勻性，適應(yīng)于大面積均勻薄膜的制備；(4)采用H2稀釋的二氯硅烷(SiCl2H2)作為主要反應(yīng)源氣