RU2165476C2

RU2165476C2 - Method of deposition of amorphous silicon films and device for its embodiment

Info

Publication number: RU2165476C2
Application number: RU99116437A
Authority: RU
Inventors: В.И. Струнин; Л.В. Баранова; Г.Ж. Худайбергенов
Original assignee: Омский государственный университет
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-04-20

Abstract

FIELD: technology of production of amorphous silicon films; applicable in modern optoelectronics and integrated optics for production of thin-film solar cells and transistor matrixes of large areas for liquid-crystal displays. SUBSTANCE: method of application of amorphous silicon film by deposition on hot substrate in process of decomposition of silane-containing gas mixture, decomposition of gas mixture is carried out in corona discharge initiated in vacuum chamber at ends of hollow needles of matrix needle electrode through which silane-containing mixture is supplied to chamber. Device for claimed method embodiment has vacuum chamber with system of active gas supply and withdrawal of reaction products, substrate located in vacuum chamber and electrode block with needle electrodes. The latter is made in the form of matrix installed in vacuum chamber wall which is used as the second electrode. Electrodes are hollow. EFFECT: simplified technology of production of films of amorphous silicon, higher productivity in mass production due to deposition of film uniform in thickness, density and composition on areas of unlimited sizes. 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения пленок аморфного кремния и может быть использовано в современной оптоэлектронике и интегральной оптике для создания тонкопленочных солнечных элементов и транзисторных матриц большой площади для жидкокристаллических дисплеев. The invention relates to a technology for producing amorphous silicon films and can be used in modern optoelectronics and integrated optics to create thin-film solar cells and large area transistor arrays for liquid crystal displays.

Известен способ осаждения пленок аморфного кремния [1], который заключается в том, что из источника в вакуумную камеру через звуковое или сверхзвуковое сопло подают кремнийсодержащий газ под давлением 0,1-10^-5 Top. Поток газа подвергается активации путем пропускания через электронно-пучковую плазму, а формирование пленки осуществляется на подложке, расположенной в потоке газа.A known method of deposition of amorphous silicon films [1], which consists in the fact that silicon-containing gas is supplied from a source into a vacuum chamber through a sound or supersonic nozzle at a pressure of 0.1-10 ^-5 Top. The gas stream is activated by transmission through an electron-beam plasma, and the film is formed on a substrate located in the gas stream.

Недостатком этого способа является техническая сложность получения сверхзвуковых струй и ограниченные площади напыления. The disadvantage of this method is the technical complexity of obtaining supersonic jets and limited spraying areas.

В известных способах нанесения пленок аморфного кремния путем разложения кремнийсодержащего газа и осаждения продуктов реакции на нагретую подложку (см. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12), для разложения газовой смеси преимущественно используется тлеющий разряд. In known methods for depositing amorphous silicon films by decomposing a silicon-containing gas and depositing the reaction products on a heated substrate (see 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12), a glow discharge is mainly used to decompose the gas mixture.

Наиболее близким к заявленному способу является способ осаждения аморфного кремния [2] . В данном способе газообразный моносилан вводят в вакуумную камеру, прикладывают электрическое поле и индуцируют тлеющий разряд, в условиях которого разлагают рабочий газ и осаждают пленку на поверхность подложки. Процесс проводится при парциальном давлении моносилана 0,2-1 мм рт.ст., температура подложки 250-450^oC. Скорость осаждения кремния с образованием аморфной пленки ≥ 20 А/с. Продукты реакции осаждаются не только на подложку, но и на стенки камеры, поскольку зона разряда ничем не ограничена, что приводит к неоправданно высокому расходу газа. Это и является основным недостатком данного способа.Closest to the claimed method is a method of deposition of amorphous silicon [2]. In this method, gaseous monosilane is introduced into a vacuum chamber, an electric field is applied and a glow discharge is induced, under which the working gas is decomposed and the film is deposited on the surface of the substrate. The process is carried out at a partial pressure of monosilane 0.2-1 mm Hg, substrate temperature 250-450 ^o C. The deposition rate of silicon with the formation of an amorphous film ≥ 20 A / s. The reaction products are deposited not only on the substrate, but also on the chamber walls, since the discharge zone is not limited by anything, which leads to an unreasonably high gas flow rate. This is the main disadvantage of this method.

Наиболее близким к заявленному устройству является установка для нанесения пленки покрытия осаждением из ионизированного газа [31. Установка имеет устройство закрытого типа, в котором поддерживают пониженное давление. Электродный блок, установленный со стороны подачи активного газа имеет множество электродов игольчатой формы, между которыми расположена не соединенная с ними электрически сетка из электропроводного материала. Тлеющий разряд зажигается между иголками и сеткой, находящимися по обе стороны от подложек, расположенных параллельно игольчатым электродам. Газ поступает в камеру и проходит сквозь сетку, где между иголками и сеткой зажигают тлеющий разряд, продукты реакции осаждаются на подложках, на которых поддерживается высокая температура. Closest to the claimed device is a device for applying a coating film by deposition from ionized gas [31. The installation has a closed device in which low pressure is maintained. The electrode unit mounted on the supply side of the active gas has a plurality of needle-shaped electrodes, between which there is an electrically conductive material mesh not connected to them. A glow discharge is ignited between the needles and the grid located on both sides of the substrates parallel to the needle electrodes. Gas enters the chamber and passes through the grid, where a glow discharge is ignited between the needles and the grid, the reaction products are deposited on substrates on which high temperature is maintained.

Недостатком этого устройства является неэффективный расход газа, так как пленка осаждается не только на подложках, но и на стенках камеры, а также сложность получения однородной по толщине пленки, так как часть подложки, находящаяся ближе к зоне разряда, будет иметь более быстрый рост пленки, чем более удаленные участки. The disadvantage of this device is the inefficient consumption of gas, since the film is deposited not only on the substrates, but also on the walls of the chamber, as well as the difficulty of obtaining a film uniform in thickness, since the part of the substrate closer to the discharge zone will have faster film growth. than more distant sites.

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства получения пленок аморфного кремния, обеспечивающих упрощение технологии получения пленок аморфного кремния и повышение производительности при применении в массовом производстве за счет возможности нанесения пленки, однородной по толщине, плотности и составу на неограниченно большие площади. The present invention is to provide a method and device for producing amorphous silicon films, providing a simplification of the technology for producing amorphous silicon films and increasing productivity when applied in mass production due to the possibility of applying a film that is uniform in thickness, density and composition over unlimited large areas.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе нанесения пленки аморфного кремния путем ее осаждения на подложку в процессе разложения силаносодержащих газовых смесей при пониженном давлении разложение газовой смеси производят в коронном разряде, возбуждаемом в вакуумной камере на концах полых иголок матричного электрода, через которые силаносодержащую смесь подают в камеру. При этом используют смесь состава 4,8% SiH₄ - 4,8 мас.%, Ar - 95,2 мас.% и следующие параметры процесса: ток разряда 10-15 мА, температура подложки 250-450^oC, давление в камере от 10^-1 до 10 мм рт.ст.; причем подачу силаносодержащей газовой смеси осуществляют через полые иглы игольчатых электродов, за счет этого газ попадает непосредственно в зону разряда, где происходит разложение, что приводит к более эффективному использованию газовой смеси. Пленку наносят на стеклянную подложку. Размеры подложки должны немного превышать размеры матрицы игольчатых электродов. Площадь поверхности, на которую может наносится пленка, ограничивается только размерами вакуумной камеры. Авторами найдены оптимальные режимы, позволяющие получить пленку аморфного кремния высокого качества. Преимущества коронного разряда перед тлеющим состоят в том, что коронный разряд горит при давлении большем, чем тлеющий разряд, и поэтому плотность радикалов в плазме такого разряда выше, за счет этого повышается скорость нанесения пленки и плотность пленки. Кроме того, неравновесность коронного разряда выше, чем тлеющего, средние энергии электронов в плазме тлеющего разряда имеют значения ~ 2 эВ, а в плазме коронного разряда средняя энергия электронов составляет ~ 3-5 эВ, что также способствует более быстрому развалу молекул кремнийсодержашего газа.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of applying a film of amorphous silicon by depositing it on a substrate during the decomposition of silane-containing gas mixtures under reduced pressure, the decomposition of the gas mixture is carried out in a corona discharge excited in a vacuum chamber at the ends of the hollow needles of the matrix electrode through which the silane-containing mixture served in the camera. A mixture of 4.8% SiH ₄ - 4.8 wt.%, Ar - 95.2 wt.% And the following process parameters are used: discharge current 10-15 mA, substrate temperature 250-450 ^o C, chamber pressure from 10 ^-1 to 10 mm Hg; moreover, the supply of a silane-containing gas mixture is carried out through the hollow needles of needle electrodes, due to this, the gas enters directly into the discharge zone, where decomposition occurs, which leads to a more efficient use of the gas mixture. The film is applied to a glass substrate. The dimensions of the substrate should slightly exceed the dimensions of the matrix of needle electrodes. The surface area onto which the film can be applied is limited only by the dimensions of the vacuum chamber. The authors found the optimal modes that allow to obtain a high-quality amorphous silicon film. The advantages of a corona discharge over a glow discharge are that the corona discharge burns at a pressure higher than the glow discharge, and therefore the density of radicals in the plasma of such a discharge is higher, thereby increasing the film deposition rate and film density. In addition, the nonequilibrium state of a corona discharge is higher than that of a glow discharge, the average electron energies in a glow discharge plasma are ~ 2 eV, and the average electron energy in a corona discharge plasma is ~ 3-5 eV, which also contributes to a faster breakup of silicon-containing gas molecules.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве для нанесения пленки аморфного кремния, содержащем вакуумную камеру с системой подачи активного газа и вытяжки продуктов реакции, размещенную в камере подложку и электродный блок с электродами игольчатой формы, электродный блок выполнен в виде матрицы с игольчатыми электродами, установленной в стенке вакуумной камеры, причем последняя выполняет роль второго электрода. Система подачи активного газа выполнена в виде форкамеры, роль одной стенки которой выполняет матрица с укрепленными в ней полыми игольчатыми электродами, служащими одновременно и для подачи активного газа в камеру, причем форкамера имеет проводящую оболочку для подачи напряжения на игольчатые электроды матрицы и изолирована от стенок вакуумной камеры. Электроды расположены на матрице на одинаковом расстоянии друг от друга. Подложка выполнена из стекла и расположена на расстоянии 50-100 мм от острия игольчатых электродов. The indicated technical result is also achieved by the fact that in the device for applying an amorphous silicon film containing a vacuum chamber with a system for supplying active gas and extracting reaction products, a substrate placed in the chamber and an electrode block with needle-shaped electrodes, the electrode block is made in the form of a matrix with needle electrodes installed in the wall of the vacuum chamber, the latter acting as the second electrode. The active gas supply system is made in the form of a prechamber, the role of one wall of which is played by a matrix with hollow needle electrodes fixed in it, which serve simultaneously to supply active gas to the chamber, the prechamber having a conductive sheath for supplying voltage to the needle electrodes of the matrix and is isolated from the vacuum walls cameras. The electrodes are located on the matrix at the same distance from each other. The substrate is made of glass and is located at a distance of 50-100 mm from the tip of the needle electrodes.

Проведенный поиск по источникам патентной и другой научно-технической литературы показал, что получение пленок аморфного кремния в плазме коронного разряда с помощью электродного блока в виде матрицы с полыми игольчатыми электродами, одновременно служащими для подачи газа, не используется. A search by the sources of patent and other scientific and technical literature showed that the production of amorphous silicon films in a corona discharge plasma using an electrode block in the form of a matrix with hollow needle electrodes simultaneously serving to supply gas is not used.

Способ нанесения пленок аморфного кремния и устройство для его осуществления поясняются чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид устройства, на фигуре 2 - фронтальный вид электродного блока, на фигуре 3 - вид основного узла устройства в профиль (в разрезе). The method of depositing amorphous silicon films and the device for its implementation are illustrated by drawings, where FIG. 1 shows a general view of the device, FIG. 2 is a front view of the electrode unit, and FIG. 3 is a sectional view of the main assembly of the device.

Устройство для нанесения пленки аморфного кремния содержит вакуумную камеру 1, в которой расположена подложка 2, нагреваемая омическим нагревателем 3 с термопарой для контроля температуры. Для создания разряда во фланец боковой поверхности камеры 1 встроен электродный блок 4 в виде игольчатых электродов 5, укрепленных в матрице, выполненной в форме круга. Матрица изолирована от стенок камеры 1, являющихся вторым электродом, с помощью фторпластового изолятора 6. Матрица установлена в форкамере 7, служащей для подачи газа. Газ в камеру 1 поступает сквозь полые иголки 5, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Подложка 2 расположена на расстоянии 50-100 мм от острия игольчатых электродов 5 матрицы. Напряжение от источника питания 8 подается через проводящую оболочку 12 форкамеры 7 на электродный блок 4 с иголками 5. Напряжение на стенки камеры 1 подается от источника питания 8 через штатную клемму. В камере 1 имеется система откачки 9 для удаления из камеры 1 отработанного газа и поддержания низкого давления. Подложка 2 укреплена на держателе 10, укрепленном на штативе стола рабочего объема. Газ поступает из натекателя через штуцер 11. A device for applying an amorphous silicon film contains a vacuum chamber 1, in which a substrate 2 is located, heated by an ohmic heater 3 with a thermocouple to control the temperature. To create a discharge, an electrode unit 4 in the form of needle electrodes 5 mounted in a circle-shaped matrix is built into the flange of the side surface of the chamber 1. The matrix is isolated from the walls of the chamber 1, which is the second electrode, using a fluoroplastic insulator 6. The matrix is installed in the prechamber 7, which serves to supply gas. Gas enters the chamber 1 through the hollow needles 5 located at the same distance from each other. The substrate 2 is located at a distance of 50-100 mm from the tip of the needle electrodes 5 of the matrix. The voltage from the power source 8 is supplied through the conductive sheath 12 of the pre-chamber 7 to the electrode unit 4 with needles 5. The voltage on the walls of the chamber 1 is supplied from the power source 8 through the standard terminal. The chamber 1 has a pumping system 9 for removing exhaust gas from the chamber 1 and maintaining a low pressure. The substrate 2 is mounted on a holder 10 mounted on a tripod of the working volume table. Gas flows from the leak through the nozzle 11.

Способ нанесения пленки аморфного кремния осуществляется следующим образом. Подготовленные стеклянные подложки 2 помещают в вакуумную камеру 1 и откачивают камеру до остаточного давления 10^-4 мм рт.ст., после чего напускают аргон и понижают давление до 10^-2 - 10 мм рт.ст., при котором кремнийсодержащий газ попадает в форкамеру 7 устройства и через иголки 5 матрицы свободно истекает в камеру 1. Затем возбуждается коронный разряд между иголками 5 и стенками камеры 1. Ток разряда составляет 10 - 15 мА. Эти параметры были выбраны из условий "горения" коронного разряда. При увеличении давления и тока происходит разрушение игольчатых электродов 5 вследствие ионной бомбардировки. Под действием коронного разряда происходит разложение газа на свободные радикалы, которые попадают на подложку 2, температура которой составляет 250-450^oC. После прекращения подачи газа камера 1 откачивается до давления 10^-4 мм рт.ст. и охлаждается до комнатной температуры. Процесс формирования покрытия происходит со скоростью 3-5 мкм/ч.The method of applying a film of amorphous silicon is as follows. The prepared glass substrates 2 are placed in a vacuum chamber 1 and the chamber is evacuated to a residual pressure of 10 ^-4 mm Hg, then argon is introduced and the pressure is reduced to 10 ^-2 - 10 mm Hg, at which the silicon-containing gas enters the prechamber 7 of the device and through the needles 5 of the matrix freely flows into the chamber 1. Then a corona discharge is excited between the needles 5 and the walls of the chamber 1. The discharge current is 10 - 15 mA. These parameters were chosen from the conditions of the “burning” of the corona discharge. With increasing pressure and current, the needle electrodes 5 are destroyed due to ion bombardment. Under the influence of a corona discharge, gas decomposes into free radicals that fall on the substrate 2, the temperature of which is 250-450 ^o C. After the gas supply ceases, the chamber 1 is pumped to a pressure of 10 ^-4 mm Hg and cooled to room temperature. The process of coating formation occurs at a speed of 3-5 μm / h.

Пример 1. Пленки аморфного кремния получают в рабочей области вакуумного универсального поста ВУП-5М, в стенку которого вставлена матрица игольчатых электродов 5, иголки которой направлены на подложку 2, находящуюся на расстоянии 70 мм. Подложка 2 нагревается омическим нагревателем до 300^oC. Иголки 5, выполненные из нержавеющей стали, диаметром 1 мм в количестве 13 штук, расположены на поверхности диаметром 60 мм. Расстояние между иголками 10 мм.Example 1. Amorphous silicon films are obtained in the working area of the VUP-5M universal vacuum station, into the wall of which a matrix of needle electrodes 5 is inserted, the needles of which are directed to a substrate 2 at a distance of 70 mm. The substrate 2 is heated by an ohmic heater to 300 ^o C. Needles 5, made of stainless steel, with a diameter of 1 mm in an amount of 13 pieces, are located on a surface with a diameter of 60 mm. The distance between the needles is 10 mm.

Камеру откачивают до 10^-3 мм рт.ст. насосами Н-160/700, входящими в состав ВУП-5М. Инициируют тлеющий разряд для очистки камеры. По окончании процесса травления реакционную камеру снова откачивают до давления 10^-4 мм рт.ст. и с помощью штатного натекателя в камеру вводят газовую смесь состава 4,8% SiH₄ +95,2% Ar. Давление измеряют вакууметром ПМТ-2. При указанных условиях (давление, температура) на игольчатые электроды 5 подают мощность 100 Вт и зажигают коронный разряд. Слой аморфного кремния наносят в течение 60 минут. Скорость нанесения 3-5 мкм/ч. Полученное покрытие анализировалось на дифрактометре ДРОН-5М. Анализ показал отсутствие отражения от кристаллографических плоскостей. Это свидетельствует о том, что структура данных пленок некристаллическая. Существование однородного фона говорит о том, что данная структура имеет ближний порядок, то есть является аморфной. Для точного определения структуры пленки по спектру поглощения было найдено значение ширины запрещенной зоны. Для регистрации спектра пропускания использовался стандартный спектрофотометр СФ-20М с автоматически регулируемой шириной щели. Искомое значение ширины запрещенной зоны E_g = 1,7 эВ. Согласно литературным данным оно соответствует значению ширины запрещенной зоны аморфного кремния.The camera is pumped out to 10 ^-3 mm Hg. pumps N-160/700, which are part of the VUP-5M. Initiate a glow discharge to clean the camera. At the end of the etching process, the reaction chamber is again pumped out to a pressure of 10 ^-4 mm Hg. and using a standard leakage, a gas mixture of 4.8% SiH ₄ + 95.2% Ar is introduced into the chamber. The pressure is measured by a PMT-2 vacuum gauge. Under these conditions (pressure, temperature), 100 W power is supplied to the needle electrodes 5 and a corona discharge is ignited. A layer of amorphous silicon is applied within 60 minutes. Application speed 3-5 μm / h. The resulting coating was analyzed on a DRON-5M diffractometer. The analysis showed the absence of reflection from crystallographic planes. This indicates that the structure of these films is noncrystalline. The existence of a homogeneous background suggests that this structure has a short range order, that is, it is amorphous. To accurately determine the film structure from the absorption spectrum, the band gap was found. To record the transmission spectrum, a standard SF-20M spectrophotometer with automatically adjustable slit width was used. The sought value of the band gap E _g = 1.7 eV. According to published data, it corresponds to the band gap of amorphous silicon.

Источники, принятые во внимание
1. Патент РФ 2100477, МПК 6 C 23 C 16/24, 16/50.Sources taken into account
1. RF patent 2100477, IPC 6 C 23 C 16/24, 16/50.

2. Заявка Японии N 63-32863, МПК 4 C 23 C 16/24. 2. Japanese application N 63-32863, IPC 4 C 23 C 16/24.

3. Заявка Японии N 61-51631, МПК 4 C 23 C 16/50. 3. Japanese application N 61-51631, IPC 4 C 23 C 16/50.

4. Заявка Японии N 6044552 В4, МПК H 01 L 21/205. 4. Application of Japan N 6044552 B4, IPC H 01 L 21/205.

5. Заявка Японии N 6091010 В4, МПК 5 H 01 L 21/205. 5. Japanese application N 6091010 B4, IPC 5 H 01 L 21/205.

6. Заявка Японии N 5056648 В4, МПК H 01 L 21/205/10. 6. Application of Japan N 5056648 B4, IPC H 01 L 21/205/10.

7. Заявка Японии N 5073250 В4, МПК H 01 L 21/205. 7. Japanese application N 5073250 B4, IPC H 01 L 21/205.

8. Заявка Японии N 2-27824, МПК 5 H 01 L 31/04, 21/205, 21/324. 8. Japanese application N 2-27824, IPC 5 H 01 L 31/04, 21/205, 21/324.

9. Заявка Японии N 1-42125, МПК 4 H 01 L 21/205, 31/04. 9. Application of Japan N 1-42125, IPC 4 H 01 L 21/205, 31/04.

10. Заявка Японии N 6082623 В4, МПК 5 H 01 L 21/205. 10. Japanese application N 6082623 B4, IPC 5 H 01 L 21/205.

11. Заявка Японии N 5068097, МПК H 01 L 21/205 (10). 11. Japanese application N 5068097, IPC H 01 L 21/205 (10).

Claims

1. The method of applying films of amorphous silicon by deposition on a heated substrate during the decomposition of silane-containing gas mixtures, characterized in that the decomposition of the gas mixture is carried out in a corona discharge excited in a vacuum chamber at the ends of the needles of the matrix needle electrode.

2. The method according to claim 1, characterized in that the deposition of a film of amorphous silicon is carried out at a discharge current of 10 to 15 mA, a substrate temperature of 250 to 450 ^o C and a pressure in the chamber from 10 ^-1 to 10 mm RT. Art.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the silane-containing gas is fed into the chamber through the hollow needles of the needle electrode.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the amorphous silicon film is applied to a glass substrate.

5. Device for applying films of amorphous silicon, containing a vacuum chamber with a system for supplying active gas and extracting reaction products, a substrate placed in the chamber and an electrode unit with needle-shaped electrodes, characterized in that the electrode unit is made in the form of a matrix with needle electrodes installed in the wall of the vacuum chamber, the latter simultaneously acting as the second electrode.

6. The device according to claim 5, characterized in that the active gas supply system is made in the form of a prechamber, the role of one wall of which is played by a matrix with hollow needle electrodes fixed in it, serving simultaneously to supply reactive gas into the chamber, the walls of the prechamber having a conductive a shell for applying voltage to the needle electrodes of the matrix and isolated from the walls of the vacuum chamber.

7. The device according to PP.5 and 6, characterized in that the needle electrodes are located on the matrix at the same distance from each other.

8. The device according to claim 7, characterized in that the substrate is located at a distance of 50 - 100 mm from the tip of the needle electrodes and is made of glass.