本发明专利技术公开了一种等离子体-热丝-偏压结合制备硅薄膜的装置及方法，属于硅薄膜的制备技术领域。该方法通过在化学气相沉积过程中使用热丝(HWCVD)等离子体(PECVD)，和偏压结合分解反应气体沉积硅薄膜（简称结合方法(P-HWCVD)），通过对极板间距，射频功率，偏压，硅烷和氢气浓度等参数的调节实现对硅薄膜微结构、硅薄膜制备过程以及沉积速率的调控。同时，使用结合方法可以实现比单独使用上述单一一种气体分解方式有更高的气体利用率，比单一使用热丝法在超高速率制备的材料具有更好的质量。在结合方法中制备出的硅薄膜材料与单一使用热丝法制备的材料相比更适合用于太阳电池。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，属于硅薄膜的制备
。该方法通过在化学气相沉积过程中使用热丝(HWCVD)等离子体(PECVD)，和偏压结合分解反应气体沉积硅薄膜（简称结合方法(P-HWCVD)），通过对极板间距，射频功率，偏压，硅烷和氢气浓度等参数的调节实现对硅薄膜微结构、硅薄膜制备过程以及沉积速率的调控。同时，使用结合方法可以实现比单独使用上述单一一种气体分解方式有更高的气体利用率，比单一使用热丝法在超高速率制备的材料具有更好的质量。在结合方法中制备出的硅薄膜材料与单一使用热丝法制备的材料相比更适合用于太阳电池。【专利说明】-种等离子体-热丝-偏压结合制备硅薄膜的装置及方法
本专利技术涉及硅薄膜的制备
，具体涉及一种等离子体-热丝-偏压结合制 备硅薄膜的装置及方法，该方法是以等离子体和热丝相结合的方法分解反应气体，在平面 衬底表面制备硅薄膜，同时使用偏压对硅薄膜的生长质量进行控制。
技术介绍
HWCVD是一种成熟的CVD技术，当前广泛的用于硅薄膜材料的制备过程中，HWCVD 具有设备简单、气体分解效率高的优势。PECVD技术广泛的用于硅薄膜太阳电池的生产过程 中，RF生长纳米晶硅需要很低的硅烷浓度(小于2%)，生长速率很慢(小于1A/S )。HWCVD沉 积速率快，气体利用率高，但是薄膜品质不及PECVD的方法。将二者结合，可以实现比单独 使用上述单一一种气体分解方式更高的气体利用率，比单一使用热丝法在制备的材料具有 更好的质量。 偏压技术可以在PECVD中实现对硅薄膜质量的控制，通过偏压的极性和强度可以 控制硅薄膜的生长速率、晶化度和电学性质，在PECVD使用直流、交流偏压控制硅薄膜质量 的技术得到了广泛的研究。在结合方法中使用偏压实现与PECVD中使用偏压相似的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种等离子体-热丝-偏压结合制备硅薄膜的装置及方 法，该方法是在化学气相沉积过程中使用热丝（HWCVD)、等离子体（PECVD)和偏压结合分 解反应气体沉积硅薄膜的方法，以下简称结合方法（P-HWCVD)。制备出的硅薄膜材料与单 一使用热丝法制备的材料相比更适合用于太阳电池。同时，使用结合方法（P-HWCVD)，可 以实现比单独使用上述单一一种气体分解方式具有更高的气体利用率，比单一使用热丝法 (HWCVD)在超高速率制备的材料具有更好的质量。 本专利技术技术方案如下： -种等离子体-热丝-偏压结合制备硅薄膜的装置，包括设置于真空腔体内部的 样品台、平板衬底、热丝和射频电极（等离子体电极），以及设置于真空腔体外部的射频电 源、偏压电源和直流电源；其中：所述热丝设置于样品台与射频电极之间，所述平板衬底固 定在样品台表面上；所述直流电源用于加热所述热丝，其两极分别通过热丝电极与所述热 丝的两端相连；所述偏压电源用于在射频电极（等离子体电极）和样品台之间施加偏压， 偏压电源与样品台连接；所述射频电源(等离子体电源）用于产生等离子体，等离子体的外 层区域会自发产生鞘层电场，鞘层电场通过加速等离子体中的带电物种对衬底造成离子轰 击，所述射频电源与射频电极相连接。 所述样品台与真空腔体之间无电接触，所述射频电极到衬底间的距离为0. 5? 30cm，最好是4?20cm，更好是4. 5?15cm ;所述热丝到样品台表面的距离为1?8cm，更 好是2?5cm，最好是2?3. 5cm。 所述样品台使用导电材料制作，通常为金属，其电导率在103?108S/cm之间；所述 样品台表面的面积为100?1. 5X 104cm2,射频电极表面的面积大于样品台的表面面积。 所述样品台的表面采用向上、向下或倾斜的设计，倾斜设计的样品台表面与水平 面形成的二面角大于等于30°，衬底固定在样品台表面，在衬底表面进行硅薄膜的沉积，以 减少等离子体产生粉尘对薄膜生长质量的影响。 所述热丝为一根或多根，所述热丝的形状为直线形、螺线、网状、呈费马螺线的曲 线或其它形状；平行排列时，相邻热丝之间的间距为1?l〇cm，更好是1?7cm间，最好是 2?5cm间。 当多根热丝的布局方式为平行排列时，所述热丝电极为热丝支架；所述热丝支架 包括相互连接的支架I、支架II和用于支撑支架I的托架，所述支架I和支架II平行设置， 所述热丝通过螺丝固定在支架I上；在真空腔中，使用带有抓放装置的磁力杆收回或放出 热丝支架。 所述衬底的材质为玻璃、硅片或聚酰亚胺；所述热丝的材质为石墨、碳化钨、氮化 钨、碳化钽、氮化钽或金属，金属材质的热丝为钨、铼、钽、钥、铑、钼、钛或铱的纯金属或者为 上述纯金属的合金。 所述射频电源类型为RF、VHF和直流中的一种，优选使用RF电源；所述偏压电源为 直流电源、方波发生器或正弦波发生器。 利用上述装置制备硅薄膜的方法，该方法以H2和SiH4作为反应气体，反应气体在 等离子体和热丝的共同作用下发生分解，等离子体的鞘层电场对等离子体中的带电物种进 行加速，对衬底造成离子轰击；施加的偏压能够增强或减弱离子对薄膜的轰击强度以及调 节等离子体中离子和电子能量；通过对偏压的大小、偏压的形式、硅烷浓度、衬底和射频电 极间距和/或射频功率的调控，实现对所制备硅薄膜的结构和质量的控制。 该方法中，样品台加热温度为100?350°C之间稳定，真空腔体内SiH4和H 2的体 积比为0. 5%-100%，调节真空腔体内压力在1?2000Pa间稳定，开启直流电源对热丝通电加 热至1500?2200°C，开启等离子体电源(射频电源)产生等离子体，控制射频功率密度介于 0· 1 ?5. OW/cm2 之间。 通过调节等离子体电极与样品表面间距，能够调控硅薄膜的晶化程度；在等离子 体电极和样品台表面间距不改变的情况下，随着等离子体功率密度的降低，硅薄膜晶化程 度逐渐降低。 在等离子体和样品台之间施加偏压为直流或交流；在等离子体和样品台之间施加 直流偏压的范围为-100V?100V，通过控制偏压的极性和强度能够调整薄膜的质量；在等 离子体和样品台之间施加交流偏压，频率为20?20kHz，通过控制偏压的频率和强度能够 调整薄膜的质量、减少粉尘、优化晶粒的取向并对晶粒的尺寸进行控制。 本专利技术原理如下： 在现有的热丝化学气相沉积装置中安装等离子体源、热丝电源以及偏压控制电 源，反应气体在等离子体和热丝的共同作用下发生分解。结合方法中等离子体可以促使薄 膜有效地发生晶化，随着等离子体电极与样品表面间距的不同，硅薄膜发生不同程度的晶 化。在相同等离子体电极和样品台表面间距情况下，随着等离子体功率的降低，硅薄膜晶化 程度逐渐降低；本专利技术中等离子体功率密度是指单位面积衬底的等离子体功率。 通过偏压控制电源增强或减弱离子对薄膜的轰击以改善沉积过程和薄膜质量，同 时通过偏压调节等离子体中电子能量，同样可以改善对制备硅薄膜的质量。在等离子体和 样品台之间施加直流偏压的范围为-100V?100V，通过控制偏压的极性和强度可以调整薄 膜的质量。在等离子体和样品台之间施加交流偏压，频率20-20kHz，通过控制偏压的频率和 强度可以调整薄膜的质量、减少粉尘、优化晶粒的取本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种等离子体‑热丝‑偏压结合制备硅薄膜的装置，其特征在于：该装置包括设置于真空腔体内部的样品台、平板衬底、热丝和射频电极，以及设置于真空腔体外部的射频电源、偏压电源和直流电源；其中：所述热丝设置于样品台与射频电极之间，所述平板衬底固定在样品台表面上；所述直流电源用于加热所述热丝，其两极分别通过热丝电极与所述热丝的两端相连；所述偏压电源用于在射频电极和样品台之间施加偏压，偏压电源与样品台相连接；所述射频电源用于产生等离子体，等离子体的外层区域会自发产生鞘层电场，鞘层电场通过加速等离子体中的带电物种对衬底造成离子轰击，所述射频电源与射频电极相连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李灿，秦炜，刘生忠，王书博，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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