KR20090107017A - Deposition of amorphous silicon films by electron cyclotron resonance - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비정질 수소화 실리콘(a-Si:H)의 막을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 이하에서는, 작업 표면 상으로 플라즈마 증착에 의한 "비정질 실리콘"이라 간단히 지칭한다. 통상적으로, 비정질 수소화 실리콘은 3 내지 20%의 수소를 포함하며, 이들의 존재는 결함들인 댕글링 본드들(dangling bonds)을 부동태화하는 역할을 한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 플라즈마 화학 기상 증착(plasma-enhanced CVD)으로 알려진 공정에서, 예를 들어 SiH4, Si2H6 또는 높은 차수의 저중합체(oligomer)와 같은 실란(silane)을 분해시키기 위해 전자 사이클로트론 공진을 이용하는 플라즈마를 제조하기 위한 마이크로파 에너지의 사용과 관련된다. 비정질 실리콘을 증착하기 위하여 사용될 수 있는 다른 전구체 가스들은 실리콘이 하나 또는 그 이상의 탄소, 산소, 또는 질소, 선택적으로 수소와 함께 조합되어 존재하는 분자들을 포함한다. The present invention relates to a method of forming a film of amorphous silicon hydride (a-Si: H), hereinafter simply referred to as "amorphous silicon" by plasma deposition on a working surface. Typically, amorphous silicon hydride contains 3-20% of hydrogen, the presence of which serves to passivate the dangling bonds that are defective. More specifically, the present invention relates to silanes such as, for example, SiH 4 , Si 2 H 6 or higher order oligomers in a process known as plasma-enhanced CVD. It involves the use of microwave energy to produce a plasma that uses electron cyclotron resonance to resolve. Other precursor gases that can be used to deposit amorphous silicon include molecules in which silicon is present in combination with one or more carbon, oxygen, or nitrogen, optionally hydrogen.
비정질 실리콘 막들의 사용과 관련하여 특정한 관심 분야의 하나는 태양 에너지를 전기적 전력으로 변환하는 장치들이다. 이러한 비정질 실리콘 물질은 또한 디스플레이를 위한 TFT와 같은 전자적 어플리케이션에서 사용할 수 있다.One particular area of concern with the use of amorphous silicon films is devices that convert solar energy into electrical power. Such amorphous silicon materials can also be used in electronic applications such as TFTs for displays.
플라즈마를 전자 사이클로트론 공진(electron cyclotron resonance, 이하에서는 약어로서 "ECR"이라함)으로 여기하는 기술 분야에 있어서, 정적(static) 자기장 또는 준정적(quasi-static) 자기장 내의 전자의 회전 주파수가 인가된 가속 전기장의 주파수와 동일한 경우에 공진을 얻는다. 이러한 공진은 여기 주파수(f)에서 자기장(B)에 대하여 얻을 수 있고, 주파수(f)와 자기장(B)의 관계는 다음과 같다.In the technical field of exciting plasma with electron cyclotron resonance (hereinafter abbreviated as " ECR "), a rotational frequency of electrons in a static or quasi-static magnetic field is applied. Resonance is obtained when it is equal to the frequency of the accelerating electric field. This resonance can be obtained with respect to the magnetic field B at the excitation frequency f, and the relationship between the frequency f and the magnetic field B is as follows.
여기에서, m은 질량이고, e는 전자의 전하이다.Where m is the mass and e is the charge of the electron.
플라즈마가 전자 사이클로트론 공진 주파수에서 여기되면, 상기 가스를 해리하거나 또는 이온화하기 위하여 필요한 임계 에너지에 도달하도록 상기 수학식 1의 ECR 조건이 일치할 때에, 전자들은 전기장과 동조하여(in phase) 회전하고, 외부 여기 소스로부터 연속적으로 에너지를 얻는다. 이러한 조건을 만족하기 위하여, 첫째, 상기 전자는 자기장 라인들 내에 갇혀있으며, 즉, 전자에 대한 정적(static) 자기장 기울기에 대하여 그의 회전(gyration) 반경이 충분히 작아 회전하는 동안 실질적으로 균일한 자기장으로 나타나고, 둘째, 회전 주파수는 전자들 및 원자들 및/또는 분자들과 같은 중성 요소들 사이의 충돌 주파수에 대하여 상대적으로 크다. 다시 말하면, 플라즈마를 전자 사이클로트론 공진으로 여기하기 위한 가장 좋은 조건들은 가스 압력이 상대적으로 낮으며, 동시에 여기 주파수(f)가 높은 경우 에 얻을 수 있다고 기대할 수 있고, 이는 또한 자기장 강도(B)가 높음을 의미한다. Once the plasma is excited at the electron cyclotron resonance frequency, the electrons rotate in phase with the electric field when the ECR condition of
종래의 발산형(divergent) ECR의 주요 문제점은 넓은 면적에 걸쳐서 실질적으로 균일한 밀도의 플라즈마를 형성하기가 불가능하다는 것이다. 이러한 점은, 예를 들어 넓은 크기의 작업 표면 상에 물질의 실질적으로 균일한 층을 증착하기 위하여 사용할 수 없다는 것을 의미한다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 작업 표면 상에 실질적으로 균일한 밀도를 가지는 플라즈마를 통합적으로 발생하는 장치들을 포함하는 배분된 전자 사이클로트론 공진(distributed electron cyclotron resonance, DECR)으로 알려진 기술이 개발되었고, 이는 복수의 플라즈마 여기 장치들이 네트워크로 형성되어 있는 장치를 포함한다. 플라즈마 여기 장치들 각각은 마이크로파 에너지의 와이어 인가부(applicator)로 구성되어 있고, 그 일단부는 마이크로파 에너지를 형성하기 위한 소스와 연결되고, 그 타단부는 균일하고 전자 사이클로트론 공진에 상응하는 강도의 자기장을 가지는 적어도 하나의 표면을 생성하기 위한 적어도 하나의 자기 쌍극자와 정합한다. 상기 쌍극자는 극(pole)들 사이에서 진동하는 전자 사이클로트론 공진으로 가속된 전자들을 보장하도록 상기 마이크로파 인가부의 일단부에 설치되고, 이에 따라 상기 인가부의 일단부로부터 이격된 쌍극자의 측부상에 위치한 플라즈마 확산 구역을 생성한다. 여기 장치들 각각은 서로에 대하여 상대적으로 배분되고, 작업 표면에 인접하게 위치하고, 상기 작업 표면에 대하여 균일한 플라즈마를 함께 형성한다.The main problem with conventional divergent ECRs is that it is impossible to form a plasma of substantially uniform density over a large area. This means, for example, that it cannot be used to deposit a substantially uniform layer of material on a large size working surface. To overcome this problem, a technique known as distributed electron cyclotron resonance (DECR) has been developed, which includes devices that collectively generate a plasma having a substantially uniform density on a work surface, which is a plurality of Plasma excitation devices include devices in a network. Each of the plasma excitation devices consists of a wire applicator of microwave energy, one end of which is connected to a source for forming microwave energy, the other end of which is uniform and generates a magnetic field of intensity corresponding to the electron cyclotron resonance. The branches mate with at least one magnetic dipole to produce at least one surface. The dipole is installed at one end of the microwave application section to ensure electrons accelerated by electron cyclotron resonance oscillating between poles, and thus plasma diffusion located on the side of the dipole spaced from one end of the application section. Create a zone. Each of the excitation devices are distributed relative to each other, located adjacent to the work surface, and together form a uniform plasma with respect to the work surface.
이러한 DECR 장치는 미국특허번호 제6,407,359호 (유럽특허번호 제1075168호에 상응함)에 개시되어 있고, 상기 장치의 보다 상세한 설명은 도면을 참조하여 하 기에 개시되어 있다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 기판으로부터 볼 때에, 여기 장치들은 통상적으로 직사각형 어레이의 형태를 가지며, 또한 상기 직사각형이 정사각형인 특정한 경우를 포함하고, 이에 따라 이러한 장치는 종종 매트릭스 DECR(matrix distributed electron cyclotron resonance, MDECR) 장치로 지칭된다. 그러나, 본 발명은 또한 여기 장치들이 직사각형이 아닌 2차원 네트워크, 예를 들어 육각형 네트워크로서 배열되거나, 여기 장치들이 두 개의 평행한 라인들로 배열되고 하나의 라인의 장치들이 서로에 대하여 오프셋(offset)인 DECR 장치에 적용될 수 있음을 이해할 수 있다. 육각형 어레이의 일예가 라가데(T. Lagarde), 아르날(Y. Arnal), 라코스테(A. Lacoste), 펠레티어(J. Pelletier)의 "Determination of the EEDF by Langmuir probe diagnostic in a plasma excited at ECR above a multipolar magnetic field" (Plasma Sources Sci. Technol. 10, 181-190, 2001)에 개시되어 있다. 이러한 장치들은 또한 원형 어레이, 반원형 어레이 또는 원형에 가까운 어레이로서 위치할 수 있다. 본 발명자들에 의하여 수행된 일부 연구들에 있어서, 증착들은 세 개 또는 여섯 개의 장치들로 둘러싸인 중앙 플라즈마 여기 장치에 의하여 수행되었음을 유의하여야 하며, 둘러싼 장치들은 상기 중앙 장치의 자석에 대하여 반대로 위치한 자석의 극성들을 가지고, 각각 삼각형 어레이 또는 육각형 어레이로 배열되어 있다. 또한, 본 발명은 MDECR형이 아닌 DECR 장치 장치에 적용될 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 역사적으로 MDECR에 비하여 선행하는 DECR 반응기에 적용될 수 있고, 상기 반응기는 실린더 형상을 가지고, 상기 실린더의 상측에서 하측으로 연장된 긴 안테나들과 자석들을 사용한다. 이러한 배열은 모이산(Michel Moisan)과 펠레티어(Jacques Pelletier)의 "Microwave Excited Plasmas" (Elsevier, 1992)에 개시되어 있고, 튜브와 같은 실리더형 기판 또는 플라즈마 2극성 평균 자유 경로(mean free path)와 비교하여 작은 치수(길이, 반경)에 의하여 특정되는 목적물을 균일하게 코팅하기에 적절하다 (상술한 참조의 첨부 9.1 페이지 269-271를 참조). 이러한 목적물은 플라즈마의 중앙부에 위치하고 실린더의 축에 대하여 수직으로 방위된 평평한 표면을 가질 수 있다. Such a DECR device is disclosed in US Pat. No. 6,407,359 (corresponding to EP 1075168), a more detailed description of which is given below with reference to the drawings. As is evident from the figure, when viewed from a substrate, the excitation devices typically have the form of a rectangular array, and also include the particular case where the rectangle is square, whereby such devices often require matrix distributed electron cyclotron resonance, MDECR) device. However, the invention also shows that the excitation devices are arranged as non-rectangular two-dimensional networks, for example hexagonal networks, or the excitation devices are arranged in two parallel lines and the devices in one line are offset relative to one another. It can be appreciated that the present invention can be applied to a DECR device. One example of a hexagonal array is "Determination of the EEDF by Langmuir probe diagnostic in a plasma excited at T. Lagarde, Y. Arnal, A. Lacoste and J. Pelletier. ECR above a multipolar magnetic field "(Plasma Sources Sci. Technol. 10, 181-190, 2001). Such devices may also be located as circular arrays, semicircular arrays or near-array arrays. In some studies performed by the inventors, it should be noted that the depositions were performed by a central plasma excitation device surrounded by three or six devices, with the surrounding devices being located opposite to the magnet of the central device. With polarities, they are arranged in a triangular array or a hexagonal array, respectively. In addition, the present invention can be applied to DECR device devices that are not MDECR type. Thus, for example, it can be historically applied to a prior DECR reactor as compared to MDECR, which has a cylindrical shape and uses elongated antennas and magnets extending from the top to the bottom of the cylinder. This arrangement is described in Michel Moisan and Jacques Pelletier's "Microwave Excited Plasmas" (Elsevier, 1992), and is a cylinder-like substrate such as a tube or a plasma bipolar mean free path. It is suitable for uniformly coating the object specified by the small dimension (length, radius) in comparison to (see appendix 9.1 on page 269-271 of the above reference). This object may have a flat surface located in the center of the plasma and oriented perpendicular to the axis of the cylinder.
DECR 기술이 높은 증착 속도에서 물질을 증착할 수 있는 가능성을 제공한다 하더라도, 특히 태양 전지들과 관련해서, 이러한 방법으로 증착을 하는 경우 높은 품질의 물질을 얻기가 어렵다는 것이 밝혀졌다. 우리는 이온 에너지와 기판의 온도와 같은 두 가지 요소들의 정확한 제어를 통해 특정한 특성들의 바람직한 조합이 달성될 수 있다는 것을 알아냈다. 이러한 두 요소들과 특히 중요하게 관련이 있다고 밝혀진 특성들은 밴드갭(bandgap, 낮은 밴드갭이 바람직하다), 밀도(높은 밀도가 바람직하다), 무질서 파라미터(disorder parameter, 낮은 수준이 바람직하다), 및 표면 거칠기(낮은 수준의 거칠기가 바람직하다)이다. 이러한 특성들 중 처음 세 가지 특성들은 수소 함량과 차례로 관련되고, 바람직한 범위의 수소 함량(3 내지 20%)은 상기 특성들의 바람직한 값들의 달성에 기여한다. 이온 에너지와 기판의 온도의 적절한 조합은 높은 광학적 및 전기적 품질을 가지는 층들의 성장을 허용하는 것으로 밝혀졌고, 이들은 태양광의 포획(capture)을 최적화하고 충분한 전하의 이동을 촉진시키므로 박막 태양 전지에 사용될 수 있다.Although DECR technology offers the possibility of depositing materials at high deposition rates, it has been found difficult to obtain high quality materials when depositing in this way, particularly with solar cells. We have found that the desired combination of specific properties can be achieved through precise control of the two factors, the ion energy and the temperature of the substrate. Properties found to be particularly important in relation to these two factors include bandgap (preferably low bandgap), density (preferably high density), disorder parameter (preferably low level), and Surface roughness (a low level of roughness is preferred). The first three of these properties are in turn related to the hydrogen content, and the preferred range of hydrogen content (3 to 20%) contributes to the achievement of the desired values of these properties. Appropriate combinations of ion energy and substrate temperature have been found to allow the growth of layers with high optical and electrical qualities, which can be used in thin film solar cells because they optimize the capture of sunlight and promote the transfer of sufficient charge. have.
본 발명에 따르면, 증착에 의해 기판 상에 비정질 실리콘(a-Si:H) 막을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 인클로저(enclosure) 내에 기판을 위치시키는 단계, 상기 인클로저내에 유동 속도로 막 전구체 가스(film precursor gas)를 인입하는 단계, 상기 인클로저 내 낮은 압력을 제공하도록, 반응되지 않고 분해된 가스를 상기 인클로저로부터 추출하는 단계, 배분된 전자 사이클로트론 공진을 이용하여 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마로부터 상기 기판 상에 물질이 증착되도록, 상기 인클로저 내 가스에 마이크로파 에너지를 인가하는 단계를 포함하고, 상기 기판은 증착 동안 200 내지 600 ℃의 범위의 온도로 유지되고, -30 내지 -150V의 범위의 시스 전위(sheath potential) 수준까지 증가하도록 바이어스 전압이 상기 기판에 인가된다.According to the present invention, there is provided a method of forming an amorphous silicon (a-Si: H) film on a substrate by vapor deposition, the method comprising placing a substrate in an enclosure, the film precursor at a flow rate within the enclosure. Drawing a gas (film precursor gas), extracting unreacted and decomposed gas from the enclosure to provide a low pressure in the enclosure, generating a plasma using a distributed electron cyclotron resonance, and Applying microwave energy to a gas in the enclosure such that material is deposited on the substrate, the substrate being maintained at a temperature in the range of 200 to 600 ° C. during deposition, and having a sheath in the range of -30 to -150V. A bias voltage is applied to the substrate to increase to the level of sheath potential.
바람직하게는, 상기 시스 전위는 -35 내지 -85V의 범위이다. 바람직하게는, 상기 온도는 225 내지 350℃의 범위이다.Preferably, the sheath potential is in the range of -35 to -85V. Preferably, the temperature is in the range of 225 to 350 ° C.
여기서 전자 감금 포락선(hot electron confinement envelope)"을 언급한다. "열전자 감금 포락선"의 정의는 먼저 "열전자 구성성분 구역들(hot electron component zones)"의 정의가 필요하다. 상기 열전자 감금 구역들은 뜨거운(빠른) 주 전자들이 갇힌 영역들이다. 이들은 서로 반대의 극성의 두 개의 인접한 자석 극들 사이에서 전자들이 진동하는 영역들이다. 상기 자석 극들은 단일 자석의 두 개의 극들(이하에서는, "자석 내 극들(intra-magnet poles)"로 지칭함)이거나 또는 두 개의 인접한 자석들의 극들(이하에서는, "자석 간 극들(inter-magnet poles)"로 지칭함)이며, 상기 영역에서는, 단열 근사 조건을 만족하고(자기장 기울기에 대하여 라모어(Larmor) 반경이 작다), ECR 커플링 조건을 만족하는 영역들을 가로지르면서 전자들이 에너지를 얻는다.Reference is made here to the "hot electron confinement envelope." The definition of "hot electron confinement envelope" first requires the definition of "hot electron component zones." Fast) are the regions in which the main electrons are confined, which are regions in which the electrons vibrate between two adjacent magnet poles of opposite polarity. magnet poles), or poles of two adjacent magnets (hereinafter referred to as “inter-magnet poles”), in which the region satisfies the adiabatic approximation condition (with respect to magnetic field gradient) Lamor radius is small), electrons get energy across regions that satisfy the ECR coupling condition.
상기 자석들과 상기 열전자 감금 구역들은 열전자 감금 포락선를 정의한다. 이는 자석들의 어레이의 포락선의 부피이고, 자석 간 구역들(존재하는 경우)이 자석들의 단부들을 넘어서 연장되는 거리로 양방향으로 상기 자석들의 자기 축들에 대하여 평행하게 연장되고, 상기 자석 내 구역들이 자석들의 외측 방향으로 대면하는 표면들을 넘어서 연장되는 거리로 모든 방향으로 자석들의 자기 축들에 대하여 수직으로 연장된다.The magnets and the hot electron confinement zones define a hot electron confinement envelope. This is the volume of the envelope of the array of magnets, extending parallel to the magnetic axes of the magnets in both directions at a distance that the inter-magnet zones (if present) extend beyond the ends of the magnets, and the zones within the magnets It extends perpendicularly to the magnetic axes of the magnets in all directions at a distance extending beyond the outward facing surfaces.
본 발명은 하기에 첨부된 도면들에 따라 더 설명된다.The invention is further described in accordance with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명을 수행하기 위하여 사용하는 플라즈마 제조 장치를 개략적으로 도시한 정면도이다.1 is a front view schematically showing a plasma manufacturing apparatus used to carry out the present invention.
도 2는 도 1의 장치의 종류의 일 예의 평면도이다.2 is a plan view of an example of the type of apparatus of FIG. 1.
도 3은 플라즈마 본체(main body)로부터 플라즈마와 접촉해 있는 벽까지 연장된 영역 내의 전하 분포 및 결과적인 전압을 도시한다.3 shows the charge distribution and the resulting voltage in the region extending from the plasma main body to the wall in contact with the plasma.
도 4는 이온에너지 Eion의 구성을 개략적으로 도시한다.4 schematically shows the configuration of the ion energy E ion .
도 5는 기판 전압의 유도된 DC 바이어스 구성요소와 기판에 인가된 RF 전력간의 상기 선형관계를 도시하는 그래프이다.5 is a graph showing the linear relationship between the induced DC bias component of the substrate voltage and the RF power applied to the substrate.
도 6a 내지 도 6d는, 실란이 막 전구체 가스로 사용되는 경우, 시스 전위에 대하여, 거칠기, 무질서 파라미터, εi(max), 및 Ld 각각의 관계를 도시하는 그래프이다.6A to 6D are graphs showing the relationship between roughness, disorder parameter, ε i (max), and L d with respect to the sheath potential when silane is used as the film precursor gas.
도 7a 내지 도 7c는 도 6a 내지 도 6c에 상응하는 그래프들이고, 디실란이 막 전구체 가스로 사용된 경우이다.7A-7C are graphs corresponding to FIGS. 6A-6C, where disilane is used as the film precursor gas.
도 8a 내지 도 8c는 도 6a 내지 도 6c에 상응하는 그래프들이고, 마이크로파 에너지가 고주파(10kHz)에서 펄스 인가되고 세 개의 다른 에너지 수준(500W, 1000W, 및 250W)이다.8A-8C are graphs corresponding to FIGS. 6A-6C, where microwave energy is pulsed at high frequency (10 kHz) and three different energy levels (500 W, 1000 W, and 250 W).
도 9a 내지 도 9d는 도 6a내지 도 6d에 상응하는 그래프들이고, 마이크로파 에너지는 더 낮은 주파수들에서 펄스된다.9A-9D are graphs corresponding to FIGS. 6A-6D, where microwave energy is pulsed at lower frequencies.
도 10a 내지 도 10e는 기판 온도가 거칠기, 무질서 파라미터, εi(max), 밴드갭 및 확산 거리(Ld)에 미치는 영향을 보여주는 그래프들이다.10A-10E are graphs showing the effect of substrate temperature on roughness, disordered parameter, ε i (max), band gap and diffusion distance L d .
도 1 및 도 2는 그 상에 막이 증착되는 기판에 대하여 플라즈마를 발생하는 장치를 도시한다. 상기 장치는, 개략적으로 도시된 바와 같이, 가스를 인입하고 반응되지 않고 분리된 가스를 (출구(11, exit)를 통해) 펌핑하여 배출하는 장치들(도 1에 미도시)과 정합하는 밀봉된 인클로저(enclosure, 1)를 포함한다, 상기 장치들은 이온화되거나 분해된 가스의 압력을, 가스의 특성과 여기 주파수에 의존하여, 예를 들어 대략 10-2 내지 2×10-1 파스칼(Pascals) 과 같은 원하는 수치에서 유 지되도록 한다. 그러나, 10-2 Pa 이하(예를 들어, 10-4 Pa 까지 낮아짐)의 가스 압력, 또는 2×10-1 Pa 이상(5×10-1까지 높아지거나 또는 심지어는 1 Pa 또는 그 이상으로 높아짐)의 가스 압력을 사용할 수 있다. 예를 들어, 펌핑은 1600 l/s 알카텔 터보-분자 펌프(Alcatel Turbo-molecular pump)에 의하여 수행될 수 있고, 이는 상기 인클로저에서 가스를 추출한다.1 and 2 show an apparatus for generating a plasma over a substrate on which a film is deposited. The apparatus, as schematically shown, is sealed to match devices (not shown in FIG. 1) that draw in gas and pump out the unreacted and separated gas (via exit 11). The enclosure comprises an enclosure (1), wherein the devices depend on, for example, approximately 10 −2 to 2 × 10 −1 Pascals depending on the nature of the gas and the excitation frequency. Keep it at the same desired value. However, gas pressures of 10 −2 Pa or less (eg, lowered to 10 −4 Pa), or higher than 2 × 10 −1 Pa (higher to 5 × 10 −1 or even higher than 1 Pa or higher) Can be used. For example, pumping can be performed by a 1600 l / s Alcatel Turbo-molecular pump, which extracts gas from the enclosure.
물질 유동 제어기(mass flow controller, MFC)의 제어에 의하여, 적절한 가스 소스, 예를 들어 가압된 가스 실린더로부터 상기 인클로저로 가스가 인입된다. 상기 가스는, 예를 들어 막 전구체 가스로서 SiH4 을 포함할 수 있고, 또는 비정질 실리콘의 증착에 관련하여 상술한 다른 가스들 중의 하나를 포함할 수 있다. 상기 막 전구체에 추가하여, 헬륨(He), 네온(Ne) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 희석 가스, 수소, 질소 또는 산소와 같은, 반응성 가스, 또는 디보란(diborane), 트리메틸보론(trimethyl boron) 또는 포스핀(phosphine)과 같은 도판트 가스를 또한 인입시킬 수 있다. 통상적으로, 동일한 포트(port) 또는 포트들을 통하여 막 전구체 가스로서 다른 가스들이 상기 인클로저 내로 인입되고, 상기 가스들은 서로 혼합되지만, 개별적으로 인입될 수 있다. 가스 공급 시스템은 가스들의 적절한 유동, 통상적으로 반응기 내로 1 내지 1000 sccm (standard cubic centimetre per minute)의 범위의 유동을 보장하여야 한다.By control of a mass flow controller (MFC), gas is drawn into the enclosure from a suitable gas source, for example a pressurized gas cylinder. The gas may include, for example, SiH 4 as a film precursor gas, or may include one of the other gases described above in connection with the deposition of amorphous silicon. In addition to the film precursor, an inert diluent gas such as helium (He), neon (Ne) or argon (Ar), a reactive gas such as hydrogen, nitrogen or oxygen, or diborane, trimethyl boron Or dopant gases such as phosphine can also be introduced. Typically, other gases are introduced into the enclosure as membrane precursor gases through the same port or ports, and the gases are mixed with each other, but can be drawn separately. The gas supply system should ensure proper flow of gases, typically in the range of 1 to 1000 sccm (standard cubic centimetre per minute) into the reactor.
상기 가스를 위한 주입 포트는 일반적으로 단일 튜브, 또는 복수의 튜브들(2)로 구성되고, 증착 챔버로 인입된다. 증착 챔버 내의 더 균일한 가스 배분을 보장하기 위하여, 상기 튜브는, 또는 하나보다 많은 경우에는 각각의 튜브는, 그리드에 의하여 연장될 수 있다. 주입은 상기 반응기 내의 어느 위치에서도 수행될 수 있으나, 기판 표면을 향하여 막 전구체 가스가 향하는 것이 바람직하다. The injection port for the gas generally consists of a single tube or a plurality of
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 기판 표면을 향하여 상기 가스를 향하게 배열된 상기 출구의 언급은 상기 가스가 막이 그 상에 증착되는 상기 기판 표면에 직접적으로 향해지는 경우뿐만 아니라, 상기 출구로부터, 그곳에서부터 가스 유동의 방향으로 상기 출구로부터 연장되는 라인과 그에 대하여 수직이고 상기 출구를 지나는 라인 사이에 정의된 각도 내에 상기 기판 표면이 전체적으로 위치하는 모든 경우를 포함한다. 이러한 상황들 하에서, 상기 출구로부터 발생되는 가스 유동은 상기 표면의 모든 부분을 향하는 벡터 컴포넌트(vector component)를 가질 것이다.As used herein, reference to the outlet arranged toward the gas towards the substrate surface refers not only to the case where the gas is directed directly to the substrate surface on which a film is deposited therefrom, but also from the outlet And all cases where the substrate surface is entirely located within an angle defined between a line extending from the outlet in the direction of gas flow therefrom and a line perpendicular to and passing through the outlet. Under these circumstances, the gas flow generated from the outlet will have a vector component directed to all parts of the surface.
"점(point)" 주입으로 지칭되는 상기 주입을 수행하는 하나의 방법이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 배열에서는, 상기 막 전구체는 파이프, 또는 복수의 파이프들(두 개가 도시됨)을 통하여 인입되고, 상기 파이프들 각각은, 열전자 감금 포락선(4, 점선으로 도시됨) 및 기판 표면 사이에 위치하고 상기 표면을 향하는, 출구(3)를 가진다.One method of performing this injection, referred to as a "point" injection, is shown schematically in FIG. 1. In this arrangement, the film precursor is introduced through a pipe, or a plurality of pipes (two shown), each of which is located between a hot electron confinement envelope (shown in dotted line 4) and the substrate surface. It has an outlet 3, facing the surface.
이러한 주입 배열 및 다른 주입 배열들의 상대적인 장점들이 본 출원과 동일자에 출원되고 출원절차가 함께 계류 중인(copending) 출원인 "Method and apparatus for forming a film by deposition from a plasma"와 "Device for forming a film by deposition from a plasma" (우리의 참조번호 제G28331EP호 및 제G28332 EP호)에서 설명되어 있다. 또한, 본 출원과 동일자에 출원되고 출원절차가 함께 계류 중인(copending) 출원인 "Method for forming a film of an amorphous material by deposition from a plasma" (우리의 참조번호 제G27557EP호) 에서 형성된 막들의 특성들 상에 막 전구체 가스의 유동 속도 및 체류 시간(residence tiem)의 영향에 관한 논의가 있음을 유의한다.The relative advantages of such implantation arrangements and other implantation arrangements are filed on the same day as the present application and pending applications together, "Method and apparatus for forming a film by deposition from a plasma" and "Device for forming a film by deposition from a plasma "(our references G28331EP and G28332 EP). Also, the properties of the films formed in the application "Method for forming a film of an amorphous material by deposition from a plasma" filed on the same date as the present application and pending application procedure (our reference G27557EP). Note that there is a discussion of the influence of the flow rate and residence tie of the membrane precursor gas on the bed.
플라즈마 챔버는 가열된 기판 지지부(5)를 가지도록 설비된다. 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 기판(6), 및 선택적으로 다수의 기판들은 상기 지지부(6) 상에 탑재된다. 상기 기판 지지부와 상기 기판 사이의 관계는 하기에 더 설명된다. The plasma chamber is equipped with a
상기 기판 지지부의 기능 중 하나는 요구되는 증착 온도까지 상기 기판들을 가열하는 것이다. 이는 통상적으로 실온 내지 600℃ 사이이고, 비정질 실리콘을 증착하는 경우에는 200℃를 초과하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 225℃ 내지 350℃ 사이이다. 이는 상기 기판 지지부 내부에 고온 유체를 순환시킴으로써 얻어질 수 있고, 상기 기판 지지부 내부에 삽입된 저항체를 전기적으로 가열함으로써 또한 얻어질 수 있다. 그러나, 선택적으로, 예를 들어 적외선 램프들을 이용하여 상기 기판을 직접적으로 가열할 수 있다. 적절한 온도로 가열하는 것의 중요성이 하기에 더 논의된다.One of the functions of the substrate support is to heat the substrates to the required deposition temperature. It is usually between room temperature and 600 ° C., when depositing amorphous silicon, it is preferred to exceed 200 ° C., more preferably between 225 ° C. and 350 ° C. This can be obtained by circulating a high temperature fluid inside the substrate support, and can also be obtained by electrically heating a resistor inserted inside the substrate support. However, optionally, the substrate may be directly heated, for example using infrared lamps. The importance of heating to an appropriate temperature is discussed further below.
상기 기판 지지부의 다른 기능은 상기 기판을 향하여 이온들의 에너지를 제어하기 위하여 상기 기판 표면에 분극(polarization)을 허용하는 것이다. 분극은 RF 전압의 소스를 이용하거나 DC 전압을 이용하여 구현될 수 있고, 상기 기판 지지부가 접지로부터 전기적으로 절연될 것을 요구한다. RF 분극의 경우에 있어서, 전 기적으로 절연된 기판 지지부를 적절한 정합 회로와 함께 적절한 RF 또는 DC 발전기(16)에 연결시켜 분극을 구현할 수 있다. 절연 기판 상에 증착하거나, 또는 기판(절연물 또는 절연물이 아닐 수 있음) 상에 먼저 증착된 절연층 상에 증착하는 경우에 있어서, RF 발전기의 사용이 바람직하고, 이는 도 1에서 참조 번호 7에 의해 표시된 RF 발전기에 나타나 있다. 도전물 기판 상에 증착하거나, 도전물이거나 도전물이 아닌 기판 상에 먼저 증착된 도전층 상에 증착하는 경우에 있어서, 상기 기판 표면에 적절한 전기적 연결을 가지는 RF 발전기 또는 DC 발전기에 의하여 바이어스(bias)가 인가될 수 있다. 특정한 실시예에 있어서, RF-바이어스는 자동 튜닝 박스(automatic tuning box)를 통하여 상기 기판 지지부에 연결된 13.56 MHz 드레시어(Dressier) 발전기를 이용하여 인가될 수 있다. RF 발전기를 사용하는 경우라고 하여도, 상기 기판 표면 상의 결과적인 바이어스는, 상기 플라즈마 내의 조건들의 결과로서, DC 바이어스 성분을 포함한다. 이에 대한 설명이, 완전히 다른 플라즈마 공정의 설명을 기초하여, 스즈키 등(Suzuki et al)에 의한 "Radio-frequency biased microwave plasma etching technique: A method to increase SiO2 etch rate", (J. Vac. Sci. Technol. B 3(4), 1025-1033, Jul/Aug 1985)에 개시되어 있다. 적절한 레벨의 바이어스를 사용하는 것의 중요성이 하기에 더 논의된다.Another function of the substrate support is to allow polarization on the surface of the substrate to control the energy of ions towards the substrate. Polarization can be implemented using a source of RF voltage or using a DC voltage, requiring the substrate support to be electrically isolated from ground. In the case of RF polarization, polarization can be achieved by connecting the electrically insulated substrate support to an appropriate RF or DC generator 16 with a suitable matching circuit. In the case of depositing on an insulating substrate or on an insulating layer first deposited on a substrate (which may or may not be an insulator), the use of an RF generator is preferred, which is indicated by
상기 플라즈마 제조 장치는 일련의 개별적인 플라즈마 여기 장치들(8)을 포함하고, 상기 플라즈마 여기 장치들은, 서로 이격되고, 상기 기판들에 대하여 균일한 플라즈마를 생성하기 위하여 함께 작동한다. 개별적인 플라즈마 여기 장치들 각각은 연장된 마이크로파 에너지 인가부(9)를 포함한다. 에너지 인가부(9) 각각은 그 단부들 중 하나가 인클로저(1)의 외부에 위치하는 마이크로파 에너지 소스(10)와 연결된다. 그러나, 선택적으로 단일 마이크로파 에너지 소스가 모든 인가부들에 마이크로파들을 공급할 수 있고, 또는 인가부들의 갯수에 비하여 작은 갯수의 복수의 에너지 소스들이 있을 수 있다. 예를 들어, 16개의 인가부들의 어레이는 통상적으로 두 개의 2.45 GHz 마이크로파 발전기들에 의하여 공급될 수 있고, 상기 발전기들 각각은 2 kW의 최대출력을 가지고 전력 스플릿터(power splitter) 및 각각의 슬러그 튜너들(slug tuners)을 통하여 여덟 개의 인가부들에 각각 공급한다. 상기 마이크로파 에너지가 플라즈마로 적절하게 변환되는 것을 보장하기 위하여, 각각의 인가부는 반사되는 출력을 최소화하거나 또는 적어도 감소시키기 위하여 정합 장치와 함께 설치되는 것이 바람직하다.The plasma fabrication apparatus comprises a series of individual
각각의 마이크로파 인가부는 적어도 하나의 영구 자석(12)과 연결된 자유 단부를 가진다. 각각은 자석은 자석 자체의 장축과 평행한 자기 축을 (바람직하게는) 가진다. 이러한 배열의 특정한 형태에 있어서, 플라즈마 여기 장치들 모두는 동일한 방향으로 방위된(단극 구성) 자석들을 가지며, 즉 그들의 모든 북극이 상측에 있고 모든 남극이 하측에 있거나, 또는 이와 반대이다. 다른 경우에는, 각각의 극들 중의 일부는 상측에 있고, 다른 일부는 하측에 있다(다극 구성). 후자의 예는 어레이이며, 도 2의 일단에서 보이는 바와 같이, 장치들의 어떠한 주어진 열 또는 행을 따라서 지나고, 하나는 교대하는 극성의 극들과 연속적으로 교차된다. 다른 실시예에서는, 주어진 열(또는 행) 내의 모든 자석들은 동일한 극성을 가지고, 행(또는 열)은 교대하는 극성을 가진다. 그러나, 배열들은 상기 자석들의 자기 축들이 상기 자석들 자체의 장축과 평행하지 않도록 사용될 수 있으며, 자기장의 라인들이 마이크로파들의 전파 벡터와 평행한 중요한 영역들을 제공한다. 이것은 ECR 댐핑(damping)이 발생할 수 있는 중요한 영역들의 존재를 보장하기 위하여 필요하다.Each microwave application has a free end connected with at least one
상술한 바와 같은 소정의 바람직한 특성들을 제공함에 있어서 에온 에너지와 기판 온도의 중요성과, 이온 에너지와 기판 온도를 적절하게 제어하는 방법에 대한 논의가 제공된다.Discussion of the importance of ion energy and substrate temperature in providing certain desirable properties as described above and how to properly control ion energy and substrate temperature is provided.
이온 에너지Ion energy
플라즈마가 형성되면, 플라즈마는 벌크(bulk)에서 전기적으로 중성이고, 이는 전자들의 갯수가 양성 전하의 갯수와 동일함을 의미한다. 그러나 그 경계들에서는, 중이온들(heavy ions)들의 이동도에 비하여 매우 높은 상기 전자들의 이동도(mobility)로 인해, 전자들은 벽들에 의해 수집되므로, 플라즈마 전자-중성(electro-neutrality)은 상기 경계들과 인접한 곳에서는 존재하지 않는다. 상기 전자-중성이 존재하지 않는 상기 영역을 시스(sheath)라 부른다. 이는 도 3에 도시되어 있다.Once the plasma is formed, the plasma is electrically neutral in bulk, meaning that the number of electrons is equal to the number of positive charges. However, at the boundaries, due to the mobility of the electrons being very high compared to the mobility of heavy ions, electrons are collected by the walls, so plasma electro-neutrality is the boundary. It does not exist in the immediate vicinity of the field. The region in which the electron-neutral is not present is called a sheath. This is illustrated in FIG. 3.
따라서 상기 플라즈마는 시스를 통해 상기 벽과 연결되고, 전압 강하는, 양이온들을 당기고 음전하들(전자들)을 반사시킴으로써, 상기 이온 및 전자 전류들을 평형하게 한다(준중성상태(quasi neutrality)는 손실된 전자들의 갯수가 손실된 이온들의 갯수와 동일할 것을 요구함). 빠른 전자들을 제한하기 위해, 상기 플라즈 마 전위는 상기 벽들에 대하여 포지티브(positive)이다. 이는 양이온들은 추출되고 상기 시스에 의해 상기 벽들까지 가속되는 반면에, 느린 전자들과 음이온들은 상기 시스에 의해 상기 플라즈마 내에서 반발력을 받음을 의미한다. The plasma is thus connected to the wall through a sheath and the voltage drop balances the ion and electron currents by attracting cations and reflecting negative charges (electrons) (quasi neutrality is lost). The number of electrons needs to be equal to the number of ions lost). In order to limit fast electrons, the plasma potential is positive with respect to the walls. This means that cations are extracted and accelerated to the walls by the sheath, while slow electrons and anions are repelled in the plasma by the sheath.
상기 시스 내 이루어지는 충돌에서의 최종적인 손실 에너지 또는 최종적인 이득 에너지와 마찬가지로, 상기 시스 내에서 가속된 상기 이온들에 의해 얻어진 에너지는 상기 플라즈마와 상기 기판 사이의 전위 강하(시스 전위)의 함수이다. Like the final loss energy or the final gain energy in the collision made in the sheath, the energy obtained by the ions accelerated in the sheath is a function of the potential drop (sheath potential) between the plasma and the substrate.
RF 플라즈마들을 제외하고, 상기 시스의 두께는 수 드바이(Debye) 길이들의 차수이다. 후자는 상기 전자 움직임과 관련된 플라즈마의 특성 길이 척도(scale)이다. 이는 전자 온도 및 플라즈마 밀도로부터 계산될 수 있고 이는 하기와 같다.Except for RF plasmas, the thickness of the sheath is on the order of several Debye lengths. The latter is the characteristic length scale of the plasma associated with the electron movement. It can be calculated from the electron temperature and the plasma density, which is as follows.
따라서 상기 시스 두께는 하기와 같다.Therefore, the sheath thickness is as follows.
a는 2 내지 5의 범위이다.a is in the range of 2 to 5.
비정질 실리콘 증착에 사용된 DECR 플라즈마의 특성을 고려하여, 상기 기판 지지부의 위치에서 전자 온도와 전하 밀도는 kTe = 1.5 eV 이고, ne = 1016 m-3 또는 1010 cm-3로 측정된다. 따라서, D는 90μm의 차수이고 따라서 시스 두께는, 180 내지 450μm 범위이고, 이는 매우 작다.Taking into account the characteristics of the DECR plasma used for amorphous silicon deposition, the electron temperature and charge density at the location of the substrate support are measured as kT e = 1.5 eV and n e = 10 16 m -3 or 10 10 cm -3 . . therefore, D is on the order of 90 μm and therefore the sheath thickness is in the range of 180 to 450 μm, which is very small.
상기 DECR 플라즈마는 또한 매우 낮은 압력에서 작동한다; 통상적으로 1 내지 10 mTorr (약 0.133 내지 1.33 Pa) 범위이다. 이러한 조건들에서 상기 종들의 평균 자유 경로(mean free path, 입자가 다른 입자와 충돌하기 전까지 이동할 수 있는 평균 거리)는 50,000 내지 5,000μm의 차수이고, 이는 상기 시스 두께보다 훨씬 더 크다. 이는 상기 시스에 들어가는 이온들이 전기장에 의해 상기 표면에 대하여 수직으로 인도될 것이고, 다른 이온들과 충돌함이 없이 상기 표면에 대부분 항상 도달함을 의미한다.The DECR plasma also operates at very low pressures; Typically in the range of 1 to 10 mTorr (about 0.133 to 1.33 Pa). Under these conditions the mean free path of the species (the average distance the particles can travel before colliding with other particles) is on the order of 50,000 to 5,000 μm, which is much larger than the sheath thickness. This means that the ions entering the sheath will be guided perpendicularly to the surface by the electric field, and most of the time will always reach the surface without colliding with other ions.
높은 밀도 플라즈마 및 낮은 작동 압력의 조합은 상기 시스를 효율적인 무충돌영역화 할 수 있다. 따라서 초기 에너지(상기 플라즈마 소스와 상기 기판 사이의 통상적인 거리 [10 cm 까지임] 때문에 낮은 경향이 있음)를 갖는 것 이외에, 상기 이온들은 상기 시스 내에서 상기 전기장에 의해 가속되고, 시스 전위에 직접적으로 비례하는 에너지와 함께 상기 표면에 도달한다.The combination of high density plasma and low operating pressure allows for efficient non-collision zones of the sheath. Thus, in addition to having an initial energy (which tends to be low due to the typical distance [to 10 cm] between the plasma source and the substrate), the ions are accelerated by the electric field in the sheath and are directly at the sheath potential. Reach the surface with an energy proportional to
어떠한 분극이 상기 기판(상기 논의의 문맥상 "벽"에 해당)에 인가될 경우 이는 상기 플라즈마 전위에 더해질 것이고, 이로 인해 상기 이온 에너지가 이러한 바이어스 전위만큼 조정될 것이다.If any polarization is applied to the substrate (corresponding to the "wall" in the context of the discussion above) it will be added to the plasma potential, thereby adjusting the ion energy by this bias potential.
이 경우,in this case,
- Vp: 상기 플라즈마와 기준으로서 제시된 접지 간 전위차V p : potential difference between the plasma and ground given as reference
- Vdc: 상기 RF 분극에 따른 DC 바이어스V dc : DC bias according to the RF polarization
상기 상황은 도 4에 개략적으로 요약되어 있다.The situation is briefly summarized in FIG.
시스Sheath 전위 electric potential
상술한 바와 같이, 상기 기판에 충돌하기 전에 상기 이온의 가속을 결정하는 상기 시스 전위는 결정되어야 할 중요한 값이다.As mentioned above, the sheath potential that determines the acceleration of the ions before impacting the substrate is an important value to be determined.
어떠한 외부 분극도 없는 경우에, 전하들의 상기 비대칭적 수집에 의해 상기 기판은 자동적으로 분극화된다. 이는 상기 바이어스되지 않은(unbiased) 시스 전위로 지칭되는 Vus, 다시 말해, 상기 플라즈마 벌크(bulk)와 상기 플라즈마 경계 사이의 (상기 기판 지지부에서의) 전위 차이를 정의한다.In the absence of any external polarization, the substrate is automatically polarized by the asymmetrical collection of charges. This defines V us , referred to as the unbiased sheath potential, in other words, the potential difference (at the substrate support) between the plasma bulk and the plasma boundary.
Vus = Vp - Vf V us = V p -V f
이 경우,in this case,
- Vf: "플로팅(floating)" 기판(즉, 접지되지 않음)과 기준으로서 제시된 접지 간 전위차. 플로팅 전위는 상기 바이어스 전압으로 정의되고, 프로브(기판)는 순전류가 없고, 상기 프로브(probe)에 대한 전자들 및 이온 전류들의 균형에 의해 결정된다.V f : potential difference between the “floating” substrate (ie not grounded) and ground given as a reference. The floating potential is defined as the bias voltage, and the probe (substrate) has no forward current and is determined by the balance of electrons and ion currents for the probe.
과잉 전하들의 초기 존재로 인해 상기 기판에 바이어싱(biasing) 하는데 필요한 전력이 예상보다 높을 수 있으므로, 기판을 외부에서 바이어싱 하는 경우, 이러한 과잉 전하들을 고려하어야 한다.Since the power required to bias the substrate may be higher than expected due to the initial presence of excess charges, such excess charges should be taken into account when biasing the substrate externally.
상술한 바와 같이, 상기 바이어싱은 통상적으로 상기 기판 상에 13.56Mhz RF 전압을 인가하여 구현되고, 이는 도전성 및 유전성 물질 모두의 분극을 가능하게 한다. 상기 플라즈마에서 상기 기판의 다이오드 타입의 I-V 응답으로 인해, 상술한 스즈키(Suzuki) 등의 인용참증에서 설명된 바와 같이, DC 전압이 상기 표면에서 구축된다. 이러한 전압은 상기 플라즈마 전위에 더해져 상기 시스를 가로질러 전체 전위 차이를 나타내고, 상기 이온들은 가속시킬 수 있다.As mentioned above, the biasing is typically implemented by applying a 13.56Mhz RF voltage on the substrate, which allows for polarization of both conductive and dielectric materials. Due to the I-V response of the diode type of the substrate in the plasma, a DC voltage is built up at the surface, as described in the above-mentioned Suzuki et al. This voltage is added to the plasma potential to represent the total potential difference across the sheath and the ions can accelerate.
상기 플로팅 전위를 결정하기 위해, 상기 기판 지지부에 변화하는 RF 바이어스를 인가하고, 평형에 도달하는데 필요한 결과적인 DC 분극(Vdc) 및 RF 전력 모두를 측정함으로써 실험들을 수행하였다. 이는 또한 상기 기판 지지부에서의 상기 이온 전류를 결정하도록 할 수 있다.To determine the floating potential, experiments were performed by applying a varying RF bias to the substrate support and measuring both the resulting DC polarization (V dc ) and RF power required to reach equilibrium. This may also allow to determine the ion current at the substrate support.
유사한 조건들에서 다른 실험들이 수행되었고, 이들은 하기 표에 설명되어 있다. 모든 경우들에서, 각 안테나에는 동일한 MW 전력이 공급되나 4 또는 16 안테나들만이 사용되어, 상기 이온 전류에 거의 영향을 미치지 않는다(아래 참조).Other experiments were conducted under similar conditions, which are described in the table below. In all cases, each antenna is supplied with the same MW power but only 4 or 16 antennas are used, with little effect on the ion current (see below).
상기 결과들이 도 5에 도시되어 있고, 상기 유도된 DC 바이어스 전압과 상기 주입된 RF 전력 사이에 선형 관계가 있음을 나타낸다. 완성도를 위해, 상기 표 1은 증착이 수행된 조건들에 대한 실질적인 양의 정보를 제공하고, 표 1의 다양한 열들의 의미는 하기에 간단하게 요약되어 있다. 그러나, 상기 논의의 이 부분의 의미에서 문제되는 것은 다양한 조건들 하에서도 상기 선형 관계가 존재한다는 것이다.The results are shown in FIG. 5, indicating that there is a linear relationship between the induced DC bias voltage and the injected RF power. For completeness, Table 1 above provides a substantial amount of information about the conditions under which the deposition was performed, and the meanings of the various columns of Table 1 are briefly summarized below. However, a problem in the sense of this part of the discussion is that the linear relationship exists under various conditions.
표 1에서:In Table 1:
"온도(Temp)"는 상기 기판의 명목상의 온도를 나타낸다, 하기에 설명된 이유들 때문에, 샘플 d040206의 경우를 제외하고, 이는 실제 온도가 아니다."Temp" represents the nominal temperature of the substrate, for reasons described below, except for sample d040206, this is not the actual temperature.
캐리어 플레이트는 상기 기판이 캐리어 플레이트 상에 위치되었는지 여부를 나타내고, 이는 가열된 기판 지지부 상에 위치되었거나, 직접적으로 상기 기판 지지부 상에 직접적으로 위치되었다.The carrier plate indicates whether the substrate is located on the carrier plate, which is located on the heated substrate support or directly on the substrate support.
"은" 접착 부재(glue)의 "Yes"는 상기 샘플이 상기 기판 지지부에 접착됨을 의미하고, 이는 상기 온도 제어와 관련하여 더 논의된다."Yes" of the "silver" glue means that the sample is adhered to the substrate support, which is further discussed with respect to the temperature control.
"안테나" 열은 존재하는 안테나들의 개수를 나타내고, 4개의 안테나 배열의 경우, 위에서 볼 때에, 상기 안테나들은 상기 리액터의 중앙 영역에 위치한다.The "antenna" column indicates the number of antennas present, and in the case of a four antenna arrangement, the antennas are located in the central region of the reactor as viewed from above.
"거리"는 상기 기판과 상기 안테나들의 자석들의 하부와의 수직 거리를 의미한다."Distance" means the vertical distance between the substrate and the bottom of the magnets of the antennas.
"주입"은 주입의 종류를 의미한다. "점 주입" 용어는 위에 설명되어 있다. "튜브(tube)" 주입에서는 상기 전구체 가스가 상기 열전자 감금 포락선 바로 위의, 혹은 그 내의 위치로부터 상기 기판을 향하는 방향으로 주입된다."Injection" means the type of infusion. The term "point injection" is described above. In "tube" injection, the precursor gas is injected in a direction from the position just above or within the hot electron confinement envelope towards the substrate.
표 1의 뒤에서 두 번째 열은 상기 전구체 가스가 도입되는 속도(sccm, standard cubic cm per minute)를 나타낸다.The second column after Table 1 shows the rate at which the precursor gas is introduced (sccm, standard cubic cm per minute).
표 1의 마지막 열은 펄스된 마이크로파 소스(pulsed microwave source)의 전력을 kW로 나타낸다.The last column of Table 1 shows the power of the pulsed microwave source in kW.
상술한 선형 관계는 상기 네가티브(negative) RF 바이어스가 증가하더라도 상기 이온 전류가 현저하게 변하지 않음을 나타내고, 상기 DC 바이어스는 상기 인가된 RF-전력에 직접적으로 정비례함을 나타낸다. 상기 전류는 상기 기판 상에서뿐만 아니라 상기 기판 지지부 전체 상에서의 전하 수집에 의한 것이다. 이미 알려진 바와 같이, 상기 바이어스가 평평한 기판들에서 더 네가티브가 될수록, 상기 이온 전류는 매우 빠르게 상수값(constant value)에 도달한다. 상기 전하 수집이 일정하고, 상기 인가된 전압의 제곱근으로서 변화하는 것으로 알려진, 상기 시스 두께의 변경은 평평한 기판(에지 효과들이 중요한 기판, 즉 작은 표면 면적의 경우를 제외함)에서의 전하 수집에 영향을 미치지 않는다. The linear relationship described above indicates that the ion current does not change significantly even when the negative RF bias increases, and the DC bias is directly proportional to the applied RF-power. The current is due to charge collection on the substrate support as well as on the substrate. As is already known, the more negative the bias is on flat substrates, the faster the ion current reaches a constant value very quickly. The change in sheath thickness, known that the charge collection is constant and changes as the square root of the applied voltage, affects charge collection on a flat substrate (except for substrates where edge effects are important, ie small surface area). Does not have
플로팅Floating 전위 electric potential
일부 RF 전력은 상기 기판을 접지에 대하여 OV로 유지할 필요가 있다. 이는 상기 플로팅 전위가 명백하게 접지에 대하여 포지티브이고, 상기 바이어스 전위가 상기 플로팅 전위보다 더욱 네가티브가 될 때 가능한 한 빨리 전하 보상이 필요하다는 사실 때문이다.Some RF power needs to keep the substrate at OV relative to ground. This is due to the fact that the charge potential is apparently positive with respect to ground, and charge compensation is needed as soon as possible when the bias potential becomes more negative than the floating potential.
상기 RF 발전기에 의해 전달된 상기 전력은, 상기 기판 지지부에 연결되자마자, 하기의 표현과 같이 근사화될 수 있음을 발견하였다.It has been found that the power delivered by the RF generator can be approximated as shown below as soon as it is connected to the substrate support.
PRF = 인가된 RF 전력 P RF = applied RF power
I = 이온 전류(Vdc가 Vus보다 더 네가티브인 경우)I = ion current (when V dc is more negative than V us )
Vdc = 접지에 대한 유도된 DC 바이어스 전압V dc = induced DC bias voltage to ground
Vf = 접지에 대한 플로팅 전위V f = Floating Potential to Ground
이는 상기 디커플링(decoupling) 커패시터에서 손실된 상기 전력을 고려하지 않는다는 점에서 다소 지나친 단순화이므로, 상기 기판 지지부에 인가된 상기 실제 RF-전력을 정확히 알 수 없다. 또한, 상기 선형 관계에도 불구하고, 특히 상기 플로팅 전위에 가까울 경우, 상기 RF-전류는 상기 DC-바이어스에 항상 직접적으로 정비례하지 않을 수 있다.This is rather an oversimplification in that it does not take into account the power lost in the decoupling capacitor, so that the actual RF-power applied to the substrate support is not known exactly. Furthermore, despite the linear relationship, in particular close to the floating potential, the RF-current may not always be directly directly proportional to the DC-bias.
따라서 상기 플로팅 전위는 PRF/Vdc 선의 상기 기울기와 상기 절편으로부터 계산되는 반면, 상기 이온 전류는 상기 선의 상기 기울기로부터 결정된다. 상기 결과들이 하기 표에 나타나 있다.Thus the floating potential is calculated from the slope and the intercept of the P RF / V dc line, while the ion current is determined from the slope of the line. The results are shown in the table below.
상기 플로팅 전위는 유사한 증착 조건들에서도 상당히 변화하기 쉽다. 상기 가용 데이터를 검토하면, 16개의 안테나들로 증착들이 수행되는 경우 Vf는 +8V에서 +29V의 범위에 있으나, 4개의 안테나들로 생성된 경우 0V에서 +6V의 범위에 있다. 양 경우들에 있어서, 상기 변화는 매우 크고 심지어 동일한 날에 행해진 두 측정값들(d240605 및 d240605a)의 차이가 6V에 달한다. 상기 공정 파라미터들에 대한 상관관계를 찾으려는 시도가 있었으나, 16개의 안테나들을 사용하는 경우 더 큰 Vf값을 보인다는 것 이외에, 상기 데이터들로부터 아무런 경향도 발견되지 않았다.The floating potential is likely to change significantly even with similar deposition conditions. Looking at the available data, V f is in the range of + 8V to + 29V when depositions are performed with 16 antennas, but is in the range of 0V to + 6V when generated with four antennas. In both cases, the change is very large and even the difference between the two measurements d240605 and d240605a made on the same day amounts to 6V. Attempts have been made to find correlations to the process parameters, but no trends were found from the data, except that using 16 antennas showed a larger V f value.
상기 플라즈마 전위의 값은, 랑뮈르(Lanmuir) 프로브와 유사한 장치를 이용하여 수소 플라즈마 내의 상기 플로팅 전위에 대하여 결정되었다. 실리콘 막이 상기 프로브 상으로 증착되기 때문에, 실란 플라즈마 내에서 이러한 측정을 수행하는 것은 어렵다. 하기 표로부터 상기 플라즈마 전위는 상기 플로팅 전위보다 약 5V 높고, 이 값은 바이어스된 조건들과 실란 증착 하에서 상기 시스 전위의 재계산을 허용한다.The value of the plasma potential was determined for the floating potential in the hydrogen plasma using a device similar to a Lanmuir probe. Since the silicon film is deposited onto the probe, it is difficult to perform this measurement in the silane plasma. From the table below, the plasma potential is about 5V higher than the floating potential, which allows recalculation of the sheath potential under biased conditions and silane deposition.
상기 증착 조건들을 비교할 때, 주의해서 고려할 점은, 시스에 들어갈 때에 이온들이 겪는 실제 전위차이다. 외부 바이어스가 상기 기판 지지부에 인가되는 경우, 상기 이온 가속 전위는 상기 외부 바이어스 전압과 상기 플라즈마 전위의 합이 될 것이다. 상기 플라즈마 전위는 상기 정의된 바처럼 5V가 더해진 상기 플로팅 전위로부터 결정된다. 상기 다른 증착 조건들에서 밝혀진 값들이 주어지고, 상기 시스 전위를 결정하기 위하여 상기 플라즈마 전위가 고려되어야 하기 때문에, -30V의 DC 바이어스는 필연적으로 30V의 가속 전압을 제공하지 않을 것이다(표 1 참조). 예를 들어, d070705 샘플의 경우(표 2의 2행), 상기 가속 전압은 30 + 29 + 5 = 64 V가 될 것이다. 따라서 이온 가속은 상기 바이어스 전압의 값을 기준으로 예상되는 것보다 훨씬 더 클 수 있다. 이는 박막들 상의 상기 증착을 제어하는 경우에 고려되어야 할 중요한 효과이다.When comparing the deposition conditions, a careful consideration is the actual potential difference experienced by the ions when entering the sheath. When an external bias is applied to the substrate support, the ion acceleration potential will be the sum of the external bias voltage and the plasma potential. The plasma potential is determined from the floating potential plus 5V as defined above. Given the values found in the other deposition conditions and the plasma potential must be taken into account to determine the sheath potential, a DC bias of -30V will not necessarily provide an acceleration voltage of 30V (see Table 1). . For example, for the d070705 sample (
이온 에너지의 영향Influence of ion energy
DECR PECVD에 의하여 증착된 비정질 실리콘 층들의 품질에 미치는 이온 에너지의 영향이 여러 공정 조건들에서 연구되었고, 특히 실란(실란 혹은 디실란) 전구체 가스 및 (연속파(CW) 모드 또는 고주파 또는 저주파 모드에서) 상기 리액터에 상기 MW(microwave, 마이크로파)를 공급하는 방법을 검토하여 연구되었다.The effect of ion energy on the quality of amorphous silicon layers deposited by DECR PECVD has been studied under various process conditions, in particular silane (silane or disilane) precursor gas and (in continuous or high frequency or low frequency mode). The method of supplying the MW (microwave) to the reactor was studied.
각 데이터셋(dataset)은 구체적으로 설명될 것이다.Each dataset will be described in detail.
실란Silane - - CWCW (( continuouscontinuous wavewave , 연속파) , Continuous wave) DECRDECR 모드mode
상기 이온 에너지가 증착된 비정질 실리콘 층의 품질에 미치는 영향을 결정하기 위하여, 열 가지 종류들(series)의 막들을 증착한 결과들이, 이전에 정의한 바와 같이 상기 플라즈마 전위를 고려하여 계산된, 상기 시스 전위와 상호연관된다. 표 1에서 나타난 상기 다른 요소들의 다양성을 고려하여 상기 열 가지 종류들은 서로 다르나, 각각의 종류들 내에서 이러한 요소들은 일정하게 유지되고, 상기 바이어스 전위가 변화된다.In order to determine the effect of the ion energy on the quality of the deposited amorphous silicon layer, the results of depositing ten series of films have been calculated taking into account the plasma potential as previously defined, the sheath. Correlated with potential. The ten types are different in view of the diversity of the other elements shown in Table 1, but within each type these elements remain constant and the bias potential is varied.
Eion = e(Vp - Vdc) = eVsheath E ion = e (V p -V dc ) = eV sheath
상기 막들의 광학적 특성들은, 타우크-로렌츠(Tauc-Lorentz) 모델에 의한 분광식 두께 측정(spectroscopic ellipsometry) 데이터로부터 결정되고, 전하 이동 특성들은 SSPG(정상 상태 포토캐리어 회절격자, steady state photocarrier grating)에 의해 측정되는 반면에, 상기 결과들은 표면 거칠기, 무질서 파라미터(C) 및 εi(max)에 대하여 각각 도 6a, 6b, 및 6c에 도시되어 있다. 이들을 결정하는 방법들에 대한 설명이, 예를 들어 모랄(A. Fontcuberta i Morral), 카바로카스(P. Roca i Cabarrocas), 클레르크(C. Clerc )의 "Structure and hydrogen content of polymorphous silicon thin films studied by spectroscopic ellipsometry and nuclear measurements" (PHYSICAL REVIEW B 69, 125307/1-10, 2004)에 개시되어 있다.The optical properties of the films are determined from spectroscopic ellipsometry data by the Tauc-Lorentz model, and the charge transfer properties are SSPG (steady state photocarrier grating). Whereas the results are shown in FIGS. 6A, 6B and 6C for surface roughness, disorder parameter C and ε i (max), respectively. A description of the methods for determining them is described, for example, in "Structure and hydrogen content of polymorphous silicon thin" by A. Fontcuberta i Morral, P. Roca i Cabarrocas, C. Clerc. films studied by spectroscopic ellipsometry and nuclear measurements "(PHYSICAL REVIEW B 69, 125307 / 1-10, 2004).
상기 그래프들로부터 알 수 있듯이, 상기 시스 전위가 더욱 네가티브가 됨에 따라, 상기 표면 거칠기와 상기 무질서 파라미터 모두가 개선되고, 50/60V보다 큰 가속 전압의 점근값(asymptotic)에 도달한다. 적절한 개선을 구현하기 위해, 상기 시스 전위가 네가티브가 되어야만 하는 사실은, 이 농후화(densification) 공정에 연관된 종들이 양이온들임을 보여준다.As can be seen from the graphs, as the sheath potential becomes more negative, both the surface roughness and the disordered parameter are improved, reaching an asymptotic value of acceleration voltage greater than 50 / 60V. The fact that the cis potential must be negative in order to implement an appropriate improvement indicates that the species involved in this densification process are cations.
굴절 지수(refractive index), εi(max)의 허수 부분의 상기 최대값에 의해 나타나는 상기 물질 밀도는 이의 최대값인 -35V 주위에 도달하고, 이후 이온 충돌이 더욱 활발해짐에 따라 천천히 감소한다. 이는 상기 이온 에너지가 너무 커질 경우 손상이 일어날 수 있으며, 상기 기판 분극의 작동 범위가 정의되어야 함을 보여준다.The material density indicated by the maximum value of the imaginary part of the refractive index, ε i (max) reaches around its maximum value of −35 V, and then slowly decreases as ion collisions become more active. This shows that damage can occur if the ion energy becomes too large and the operating range of the substrate polarization should be defined.
도 6d에 도시된 바와 같이, 충돌 이온 에너지가 증가됨에 따라, 전하 이동 특성들 또한 개선되었고, 100nm를 초과하는 홀 확산 길이(Ld)를 얻기 위해서는 적어도 -40V의 시스 전위가 필요하다.As shown in FIG. 6D, as the collision ion energy is increased, the charge transfer characteristics have also improved, and a sheath potential of at least −40 V is required to obtain a hole diffusion length L d exceeding 100 nm.
상기 시스 전위와의 데이터 연관관계는 상당히 주목할만하며, 상기 이온 가속 전압이 DECR 증착 공정에서 중요한 역할을 함을 나타낸다.The data association with the sheath potential is quite noteworthy, indicating that the ion acceleration voltage plays an important role in the DECR deposition process.
상기 거칠기, 상기 무질서 파라미터 및 εi(max)의 데이터를 기초로 하여, 유용한 "최대(full)" 바이어스(시스 포텐셜)의 범위는 -30 내지 -105V 이다. 16 안테나들 모드에 대한 Ld데이터를 기초로, 이러한 "최대(full)" 바이어스 범위는 100nm를 초과하는 Ld의 물질을 생성한다. 적어도 상기 이용된 특정 조건들 하에서, 4개의 안테나 모드에서의 Ld는 더 적은 것으로 알려졌다. 그러나, 이러한 모드에서도 동일 범위의 시스 포텐셜은 전체적으로 바람직한 것으로 여겨진다.Based on the roughness, the disorder parameter, and the data of ε i (max), a useful “full” bias (cis potential) ranges from -30 to -105V. Based on the L d data for the 16 antennas mode, this “full” bias range produces a material of L d greater than 100 nm. At least under the specific conditions used above, L d in four antenna modes is known to be less. However, even in this mode, the same range of cis potentials is generally considered to be desirable.
상기 시스 포텐셜로 DECR에 의해 증착된 비정질 실리콘 층들의 광학적 특성 및 전하 이동 특성들에 대하여 상술한 상관관계들은 상기 RF 파워로 또한 얻어진다. 이는 상기 논의한 바에 따라 기대되고, 이는 상기 기판 표면의 DC 분극을 유도하기 위하여 인가된 상기 RF 전력이 바이어스되지 않은 조건들 하의 상기 표면의 자동-분극(auto-polarization)을 고려함을 보여준다. 상기 RF 전력은 접지에 대하여 측정된 상기 바이어스 전압 및 상기 플라즈마와 상기 기판 사이의 전위 강하에 비례한다.The above-described correlations for the optical and charge transfer properties of amorphous silicon layers deposited by DECR with the cis potential are also obtained with the RF power. This is expected as discussed above, which shows that it takes into account the auto-polarization of the surface under conditions where the applied RF power is not biased to induce DC polarization of the substrate surface. The RF power is proportional to the bias voltage measured with respect to ground and the potential drop between the plasma and the substrate.
-30 내지 -105V의 유용한 시스 전위 범위는 25 내지 120W의 RF 전력 범위에 상응한다. 하기에 설명하는 바와 같이, 이러한 관계는 기판 지지부의 주어진 면적에서만 유지된다. 본 경우에서 이는 484cm2이었다. "결론" 부분에서, 어떠한 기판 지지부 영역에 적용되도록 어떻게 RF 전력 요건을 표준화할 수 있는지에 대한 설명이 제공된다. 또한 이러한 시스 전위 및 RF 전력의 상관관계가 2kW의 마이크로파 전력, 100sccm의 실란 유동 속도, 및 상기 기판과 상기 자석의 하부 사이의 10cm 간격을 이용하여 얻어졌다. 상기 사용된 RF 전력은 다른 공정 조건들에 상응하여 조절되어야 할 것이다.A useful sheath potential range of -30 to -105V corresponds to an RF power range of 25 to 120W. As explained below, this relationship is maintained only at a given area of the substrate support. In this case it was 484 cm 2 . In the "Conclusion" section, a description is provided on how to standardize RF power requirements to be applied to which substrate support area. This correlation of sheath potential and RF power was also obtained using a microwave power of 2 kW, a silane flow rate of 100 sccm, and a 10 cm gap between the substrate and the bottom of the magnet. The RF power used will have to be adjusted in response to other process conditions.
디실란Disilane - - CWCW DECRDECR 모드mode
전구체 가스로서 디실란을 사용할 경우, 비정질 실리콘 층의 광학적 및 전기적 특성들에 대한 시스 전위의 효과가 결정되었다. 이러한 가스의 사용은, 실란으로 가능한 상기 속도보다 약 두 배의 속도로, a-Si:H 층의 증착을 허용하고, 50 Å/s 보다 큰 속도가 측정되었다.When using disilane as the precursor gas, the effect of the sheath potential on the optical and electrical properties of the amorphous silicon layer was determined. The use of this gas allowed deposition of the a-Si: H layer at about twice the rate possible with silane, and rates of greater than 50 dl / s were measured.
디실란을 사용할 경우 관찰된 표면 거칠기, 무질서 파라미터, 및 εi(max)의 경향이 도 7a 내지 7c에 도시되어 있고, 상기 막 전구체 가스로서 실란을 사용한 경우에서 나타난 경향들과 동일하다.The observed surface roughness, disordered parameters, and the tendency of ε i (max) when using disilane are shown in FIGS. 7A-7C, and are the same as the tendencies seen when using silane as the film precursor gas.
먼저 정의된 실란의 최적의 시스 전위 범위(-30 내지 -105V)는 디실란의 경우에 있어서도 적합한 것으로 보인다. 따라서, 실란 혹은 디실란을 사용하는 경우, 후자의 증착 속도가 전자보다 두배인 것을 제외하고, 중요한 차이가 없다고 보여진다.The optimal cis potential range (-30 to -105 V) of the silanes defined above seems to be suitable even for disilane. Thus, when using silane or disilane, no significant difference is seen, except that the latter deposition rate is twice that of the former.
실란Silane - 고주파 펄스 High frequency pulse DECRDECR 모드mode
펄스된 MW 조건들과 결합하여 전구체 가스로서 실란을 사용하는 경우, 시스 전위가 비정질 실리콘 층의 광학적 및 전기적 특성에 미치는 효과 또한 결정되었다. MW 에너지를 펄스하는 것을 원하는 이유가, 본 출원과 동일자에 출원되고 출원절차가 함께 계류 중인 출원인 "Method for forming a film with a graded bandgap by deposition of an amorphous material from a plasma using distributed electron cyclotron resonance" (참조 번호 제G28555EP호)에 설명되어 있고, 이는 구배화된 밴드갭 구조를 제조하는 부분에서 논의된다.When using silane as precursor gas in combination with pulsed MW conditions, the effect of the sheath potential on the optical and electrical properties of the amorphous silicon layer was also determined. The reason for wanting to pulse the MW energy is the applicant, "Method for forming a film with a graded bandgap by deposition of an amorphous material from a plasma using distributed electron cyclotron resonance" filed on the same date as the present application. Reference number G28555EP), which is discussed in the section on preparing a gradient bandgap structure.
이러한 MW 인가 모드는 고주파 및 저주파들에서 평가된다. 상기 주파수 범위의 평가 이외에도, 이는 RF 바이어스를 MW 펄스와 동기화할 경우의 충돌에 대한 평가를 허용하였다.This MW application mode is evaluated at high and low frequencies. In addition to the evaluation of the frequency range, this allowed for an assessment of the collision when synchronizing the RF bias with the MW pulse.
상기 MW를 고주파수(이러한 실험들에서는 10kHz)에서 펄싱(pulsing)하는 것은, 상기 기판 지지부 설정(setup)의 응답 시간(response time)이 너무 느리고, 두 MW 펄스들 간의 분극이 완전히 완화되지 않기 때문에, RF-바이어스 동기화의 효과를 허용하지 않는다. 이는 다음 섹션에서 설명될 저주파의 경우에는 해당하지 않는다.Pulsing the MW at high frequencies (10 kHz in these experiments) is because the response time of the substrate support setup is too slow and the polarization between the two MW pulses is not fully relaxed. It does not allow the effect of RF-bias synchronization. This is not the case for low frequencies, which will be explained in the next section.
상기 고주파 펄스 모드에 대한 결과들이 도 8a, 8b 및 8b에 도시되어 있다. 이들로부터, 상기 CW 모드에서 나타난 상기 경향들은, 상기 플라즈마 조성(composition)이 다소 다르다는 사실에도 불구하고, 고주파수에서 상기 MW를 펄싱할 경우에도 여전히 관찰된다. 이는 또한 높은 품질의 층들을 증착하기 위한 이온 충돌의 중요성을 강조한다.The results for the high frequency pulse mode are shown in Figs. 8A, 8B and 8B. From these, the trends seen in the CW mode are still observed even when pulsing the MW at high frequencies, despite the fact that the plasma composition is somewhat different. It also underlines the importance of ion bombardment to deposit high quality layers.
낮은 표면 거칠기, 낮은 무질서 파라미터 및 높은 밀도를 구현하기 위한 CW 모드에서의 실란에 대하여 최적화되도록 결정된 시스 전위 범위(-30 내지 -105V)는 상기 펄스된 모드에서도 적합한 것으로 보인다. 흥미롭게도, 펄스된 MW 모드에서의 실란에 대하여, 밴드갭이 또한 개선(다시 말해, 줄어듬)될 수 있다는 것을 발견하였고, 이는 CW 모드에서 관찰되지 않은 효과이다.The sheath potential range (-30 to -105 V) determined to be optimized for silane in CW mode to achieve low surface roughness, low disorder parameters and high density seems to be suitable in the pulsed mode as well. Interestingly, it was found that for silane in pulsed MW mode, the bandgap can also be improved (ie, reduced), which is an effect not observed in CW mode.
실란Silane - 저주파 펄스 Low frequency pulse DECRDECR 모드mode
저주파 펄스 MW 조건들과 결합하여 전구체 가스로서 실란을 사용하는 경우, 시스 전위가 비정질 실리콘 층의 광학적 및 전기적 특성에 미치는 효과 또한 결정되었다.When using silane as the precursor gas in combination with low frequency pulsed MW conditions, the effect of the sheath potential on the optical and electrical properties of the amorphous silicon layer was also determined.
상기 고주파 경우와는 반대로, 상기 펄스된 MW 신호 및 상기 RF-바이어스 신호의 동기화가 가능하여, 상기 MW 펄스된 신호들이 오프(OFF) 모드일 때 바이어스가 인가되지 않은 경우에 대한 조건들이 얻어질 수 있다. 상기 얻어진 데이터는 도 9a 내지 9d에 도시되어 있다.Contrary to the high frequency case, the pulsed MW signal and the RF-bias signal can be synchronized so that conditions for the case where no bias is applied when the MW pulsed signals are in the OFF mode can be obtained. have. The data obtained is shown in FIGS. 9A-9D.
상기 데이터로부터, 상기 RF-전력과의 상관관계가 수립되었고, 상기 시스 전위를 결정하기 위한 실험들은 수행되지 않았다. 그러나, 상기 RF-전력 및 상기 시스 전위 사이의 관계 때문에, RF-전력과의 상관관계는 시스 전위와의 상관관계와 균등하다. 상기 저주파 펄스 모드에 대하여, 최적 RF-전력의 범위는, 상기 CW 및 고주파 모드들에 대하여 최적이 되도록 결정된 상기 RF-전력 범위(35 내지 120W)보다 낮게 이동될 수 있다.From the data, correlation with the RF-power was established, and experiments to determine the sheath potential were not performed. However, because of the relationship between the RF-power and the sheath potential, the correlation with the RF-power is equal to the correlation with the sheath potential. For the low frequency pulse mode, the range of optimal RF-power may be shifted below the RF-
다른 중요한 점이 강조되어야 한다. 도 9a, 9b, 및 9c에 도시된 바와 같이, 상기 표면 거칠기, 상기 무질서 파라미터 및 상기 굴절율, εi(max)의 허수부의 최대값(즉, 상기 물질 밀도)에 대하여, 상기 RF-바이어스를 상기 낮은 주파수 MW 펄스로 동기화하는 것은 매우 바람직하다. 성장하는 막의 품질을 개선시키기 위해 상기 성장하는 막 상에의 이온 충돌의 중요성을 설명한 바와 같이, 상기 RF-바이어스와 상기 MW 펄스 동기화하는 것은 상기 이온들의 사용을 최적화할 것이다. 이온들이 실제로 생성되지 않은 경우에는 상기 기판을 분극화할 필요가 없다. 반면에, 이온들의 생성은 상기 MW 펄스의 초기에 더욱 증가할 것이며, 동기화는 상기 이온들의 최적 사용을 보증할 것이다.Another important point should be emphasized. 9A, 9B, and 9C, the RF-bias is determined for the maximum value of the imaginary part of the surface roughness, the disorder parameter and the refractive index, ε i (max), i. It is highly desirable to synchronize with low frequency MW pulses. As discussed the importance of ion bombardment on the growing film to improve the quality of the growing film, synchronizing the RF-bias with the MW pulse will optimize the use of the ions. If the ions are not actually produced there is no need to polarize the substrate. On the other hand, the generation of ions will increase further at the beginning of the MW pulse, and synchronization will ensure optimal use of the ions.
이온 에너지와 관련한 결론들Conclusions Regarding Ion Energy
상기 데이터를 기초로 하여, 상기 전하 이동 특성과 마찬가지로, 상기 물질의 광학적 성질들(엘립소메트리(ellipsometry)에 의해 결정됨) 대부분과 상기 기판에서의 상기 시스 전위(또는 인가된 상기 RF 전력) 사이에 매우 우수한 관계들이 존재하게 된다. 이는 높은 품질의 층들의 증착을 위한 상기 이온 충돌의 중요성을 나타낸다.Based on the data, like most of the charge transfer properties, between most of the optical properties of the material (determined by ellipsometry) and the sheath potential (or the applied RF power) in the substrate There are very good relationships. This indicates the importance of the ion bombardment for the deposition of high quality layers.
모든 데이터 셋트들(실란, 디실란, CW-MW 모드 및 펄스된 MW 모드), 및 이들의 조합으로부터, 최적의 범위들은 다음과 같다:From all data sets (silane, disilane, CW-MW mode and pulsed MW mode), and combinations thereof, the optimal ranges are as follows:
- RF-전력: 25 내지 120W RF power: 25-120 W
- 시스 전위: -30 내지 -105VSheath potential: -30 to -105 V
이는 이온들이 수집되고 상기 실험에서 484cm2의 영역을 가지는 상기 기판 지지부의 크기로 정정되어야 한다. 이러한 정정은 상기 기판 지지부가 상기 기판보다 크거나 또는 동일한 크기일 것을 가정한다. 이는 일반적인 경우일 것이나, 상기 기판 지지부가 상기 기판보다 작은 경우, 정정을 위한 상대적인 면적은 상기 기판의 면적일 것이다. 어떠한 경우든 수행될 것은 전체 이온 수집 표면에 대한 표준화이다. 최적 증착 조건을 위한 전력 밀도는 따라서 다음과 같다:This should be corrected to the size of the substrate support having ions collected and having an area of 484 cm 2 in the experiment. This correction assumes that the substrate support is greater than or equal in size to the substrate. This would be a common case, but if the substrate support is smaller than the substrate, the relative area for correction will be that of the substrate. In either case, what is to be done is standardization of the entire ion collection surface. The power density for optimal deposition conditions is therefore:
- RF-전력: 50 내지 250 mW/cm2 RF power: 50 to 250 mW / cm 2
- 시스 전위: -30 내지 -105VSheath potential: -30 to -105 V
온도의 영향Influence of temperature
비록 선행기술로부터 플라즈마 증착에 의하여 상부에 비정질 막이 증착되는 기판이 가열되어야 함이 알려졌다고 하더라도, 본 발명자들은 기판 온도가 전에 알려진 정도에 비하여 더욱 중요하고, 지금까지 상기 기판을 가열하는데 사용된 방법들은 실제로 주어진 온도로 신뢰성 있게 기판을 가열하지 않았다는 사실을 발견하였다.Although it is known from the prior art that a substrate on which an amorphous film is deposited on top by plasma deposition must be heated, the present inventors are more important than previously known, and the methods used to heat the substrate so far are In fact it was found that the substrate was not reliably heated to a given temperature.
중간 캐리어 플레이트(intermediate carrier plate)를 사용하지 않고, 열전도성 접착 부재(은(Ag)이 채워진 접착 부재)를 사용하여 상기 기판 지지부 상에 직접적으로 접착된 상기 기판에 대한 연구 결과가 설명되어 있다. 상기 접착 부재는 실리콘(silicone) 레진(대신에, 예를 들어, 에폭시(epoxy)와 같은 다른 레진이 쓰일 수 있음), 솔벤트(solvent), 및 은 조각들(flakes)을 포함할 수 있다. 상기 솔벤트가 증발할 경우 상기 조각들이 서로 접촉되는 것을 보장하도록, 충분히 높은 농도의 조각들이 사용되고, 이에 따라 접착 부재의 결과적인 층들이 열전도성 및 전기 전도성을 갖는다. 사용될 수 있는 다른 접착 부재들은 카본 블랙(carbon black)으로 채워진 레진, 및 알루미늄 산화물 페이스트(aluminium oxider paste)를 포함한다. 후자는 전기 전도성을 갖추고 있지 않더라도, 열전도성을 가질 수 있고, 전자 어플리케이션들에서 사용되고 있다. 은이 채워진(Ag-filled) 접착 부재의 사용은, 아래 표에 설명된 바와 같이, 상기 기판 표면의 온도의 우수한 제어 및 우수한 결과적인 기판 특성들을 허용하는 것으로 설명되었다. 선택적인 가능성은, 비록 열등한 것으로 보이더라도, 상기 캐리어 플레이트를 포함하고, 상기 설명한 바와 같이 접착 부재를 이용하여 상기 캐리어 플레이트에 상기 기판을 접착시키며, 상기 기판 지지부와 상기 캐리어 플레이트 사이에, 예를 들어, 탄소 포일(carbon foil)과 같은, 열전도성인 층을 위치시키는 것이다. 다른 가능성은 "백사이드 가스 히팅(backside gas heating)"으로 지칭되는 것을 사용하는 것이다. 이는 통상적으로, 상기 기판 지지부와 상기 캐리어 플레이트 사이에 헬륨 가스를 주입하는 것을 포함하여, 이 공간 내부에 높고 충분한 압력을 가져, 우수한 열 전달을 보장하도록 한다.The results of the study on the substrate directly bonded onto the substrate support using a thermally conductive adhesive member (Ag-filled adhesive member) without using an intermediate carrier plate are described. The adhesive member may comprise silicone resin (instead, other resins such as, for example, epoxy) may be used, solvents, and silver flakes. Pieces of sufficiently high concentration are used to ensure that the pieces are in contact with each other when the solvent evaporates, so that the resulting layers of the adhesive member are thermally and electrically conductive. Other adhesive members that can be used include resin filled with carbon black, and aluminum oxide paste. The latter, although not equipped with electrical conductivity, can be thermally conductive and are used in electronic applications. The use of Ag-filled adhesive members has been described as allowing for good control of the temperature of the substrate surface and good resulting substrate properties, as described in the table below. An optional possibility, although seen to be inferior, includes the carrier plate and adheres the substrate to the carrier plate using an adhesive member, as described above, between the substrate support and the carrier plate, for example To locate a thermally conductive layer, such as a carbon foil. Another possibility is to use what is referred to as "backside gas heating". This typically involves injecting helium gas between the substrate support and the carrier plate to have a high enough pressure inside this space to ensure good heat transfer.
상기 표에서 나타난 바와 같이, 대부분의 데이터 점들은 두 개의 측정들의 평균이다.As shown in the table above, most data points are the average of two measurements.
도 10a 내지 도 10e에서 도시된 그래프들로부터, 상기 온도의 영향을 더욱 명확하게 볼 수 있다.From the graphs shown in FIGS. 10A-10E, the effect of the temperature can be seen more clearly.
따라서, 유전 상수의 허수 부분의 최대값(도 10c 참조) 및 상기 물질 밴드갭(도 10d 참조)의 온도의 영향은 매우 명확하고, 어떠한 RF-전력이 인가되더라도 본질적으로 동일하다. 양쪽 경우들 모두, 상기 온도를 증가시키는 것은 상기 물질의 광학적 특성을 현저하게 향상시킨다.Thus, the influence of the maximum value of the imaginary part of the dielectric constant (see FIG. 10C) and the temperature of the material bandgap (see FIG. 10D) is very clear and essentially the same no matter what RF-power is applied. In both cases, increasing the temperature significantly improves the optical properties of the material.
상기 무질서 파라미터는 또한 상기 온도에 의해 영향을 받지만(도 10b 참조), 상기 그래프에서, 상기 바이어스의 매우 큰 영향 또한 명확하게 볼 수 있어, 상기 막 매트릭스(matrix) 내의 상기 원자들의 중간 범위 차수(medium range order)와 연관된 이러한 특성은, 온도에 의한 것이라기보다는, 상기 막 표면 상에 충돌하는 상기 이온들의 상기 에너지에 의해 대부분 영향을 받는다는 것임을 나타낸다. 이는 SiH4/DECR 플라즈마 내 이온들 대부분들이 Hx +이고, 상기 성장하는 막에 재배열을 위한 운동 에너지를 많이 공급하지 않는다는 사실 때문일 수 있다. 상기 이온이 미치는 영향(ion contribution)은 수소 재결합, 확산 또는 상기 막 내부로의 주입과 더 연관된 것일 수 있다. 온도 및 바이어스와 관련한 상기 무질서 파라미터의 성질은, 상기 바이어스가 가장 중요한 요소이고, 상기 온도는 상기 바이어스가 증가할 경우 그 영향을 잃는다는 점에서 매우 흥미롭다.The disorder parameter is also influenced by the temperature (see FIG. 10B), but in the graph, the very large influence of the bias can also be clearly seen, so that the medium range order of the atoms in the film matrix This characteristic, associated with a range order, indicates that it is mostly affected by the energy of the ions impinging on the membrane surface, rather than by temperature. This may be due to the fact that most of the ions in the SiH 4 / DECR plasma are H x + and do not supply much kinetic energy for rearrangement to the growing film. The ion contribution may be further associated with hydrogen recombination, diffusion or implantation into the membrane. The nature of the disorder parameter with respect to temperature and bias is very interesting in that the bias is the most important factor and the temperature loses its effect as the bias increases.
상기 표면 거칠기(도 10a 참조)도 또한 상기 온도보다 상기 이온 에너지에 의해 더 영향을 많이 받는다.The surface roughness (see FIG. 10A) is also more affected by the ion energy than the temperature.
확산 거리의 경우(도 10e 참조), 비록 상기 이온 충돌 에너지가 또한 주요 영향력을 가지고 있더라도, 상기 온도가 미치는 영향(contribution of temperature)은 매우 명확하다. 도 10을 참조하면, 상기 확산 거리는 온도가 증가함에 따라 개선됨을 알 수 있으나, 상기 기판 바이어스의 상기 영향을 간과해서는 안된다.In the case of diffusion distance (see FIG. 10E), the contribution of temperature is very clear, although the ion bombardment energy also has a major influence. Referring to FIG. 10, it can be seen that the diffusion distance improves as the temperature increases, but the influence of the substrate bias should not be overlooked.
온도와 관련한 결론들Conclusions Regarding Temperature
상술한 데이터를 기초로 하여, 그리고 이러한 막들이 성장해온 상기 바이어스 범위를 고려하면, 비정질 실리콘의 증착이 적어도 200℃의 온도에서 수행되어야 함이 명확하다. 그러나, 비정질 실리콘은 600℃를 초과하는 온도에서 열적으로 결정화될 수 있다는 사실이 알려져 있다. 따라서 이러한 값은 절대적인 상한으로서 고려되어야 한다. 그러나, 박막 태양 전지들과 같은 장치의 제조에서 상기 비정질 실리콘이 상기 진성 층으로서 쓰이는 경우, 더 작은 상한이 설정되어야 한다. 그 이유는 상기 장치들은 또한 p형-도핑된 층과 n형-도핑된 층을 가지기 때문이고, 상기 n형-도핑된 층은 일반적으로 내성이 있으나, p형-도핑된 층은 특히 매우 온도에 민감하고, 일반적으로 350℃ 이상의 온도를 견뎌낼 수 없기 때문이다. 상기 장치들을 제조함에 있어서 350℃보다 더 높은 온도가 사용되는 경우, 보론을 상기 하층(bottom layer)에 후-확산(post-diffusing)하는 것, 다시 말해, 상기 진성 층의 상기 고온 증착 동안 혹은 그 이후에, 상기 기판으로부터 상기 진성 층의 하부로 보론을 확산시키도록 하는 것과 같은, 상기 공정의 수정이 필요할 것이다(이 경우 보론 대신에 인과 같은 물질을 사용하여, 상기 진성 층의 고온 증착 이후에, 유사한 공정이 n형 층을 생성하는데 사용될 수 있다).Based on the above data and considering the bias range in which these films have grown, it is clear that deposition of amorphous silicon should be performed at a temperature of at least 200 ° C. However, it is known that amorphous silicon can be thermally crystallized at temperatures in excess of 600 ° C. Therefore, this value should be considered as an absolute upper limit. However, in the manufacture of devices such as thin film solar cells, when the amorphous silicon is used as the intrinsic layer, a smaller upper limit must be set. This is because the devices also have a p-doped layer and an n-doped layer, where the n-doped layer is generally resistant, but the p-doped layer is particularly very temperature resistant. This is because it is sensitive and generally cannot withstand temperatures above 350 ° C. If a temperature higher than 350 ° C. is used in the manufacture of the devices, post-diffusing boron into the bottom layer, ie during or during the high temperature deposition of the intrinsic layer Thereafter, modifications of the process, such as to diffuse boron from the substrate to the bottom of the intrinsic layer, will be necessary (in this case using a material such as phosphorus instead of boron, after high temperature deposition of the intrinsic layer, Similar processes can be used to produce n-type layers).
전체적인 결론들Overall conclusions
상기 논의로부터, 이온 충돌 에너지와 기판 온도가 비정질 수소화 실리콘(a-Si:H) 막의 상기 특성들에 주요한 영향을 미침을 알 수 있고, 고품질 물질을 성장하기 위해 양자의 정확한 선택이 필수적임을 알 수 있었다.From the above discussion, it can be seen that ion bombardment energy and substrate temperature have a major influence on the above properties of amorphous silicon hydride (a-Si: H) films, and that accurate selection of both is essential to grow high quality materials. there was.
표면 거칠기와 상기 무질서 파라미터에 대하여, 상기 이온 에너지가 미치는 영향은 고품질 막의 성장에 절대적으로 필수적이다. 다른 특성들, 특히 물질 밴드갭의 경우, 가장 중요한 것은 온도이고, 큰 바이어스 없이 우수한 품질의 물질이 성장될 수 있다. 그러나, 유전 상수의 허수부의 최대값 및 전하 확산 거리와 같은 다른 특성들도 있고, 이들은, 상기 물질이 우수한 품질을 갖기 위하여, 온도와 이온 충돌이 일정한 범위 내에 포함될 것을 요구한다. 이는, 이러한 두 개의 증착 파라미터들을 서로 분리시켜 고려할 수 없으며, 이들 모두 고품질의 물질의 성장에 필수적임을 의미한다.For surface roughness and the disorder parameter, the effect of the ion energy is absolutely essential for the growth of high quality membranes. For other properties, especially for the material bandgap, the most important is temperature, and a good quality material can be grown without large bias. However, there are other properties, such as the maximum value of the imaginary part of the dielectric constant and the charge diffusion distance, which require that the material and the ion collision be included in a certain range in order to have a good quality. This means that these two deposition parameters cannot be considered separately from each other, both of which are essential for the growth of high quality materials.
상기 생성된 데이터를 기초로, DECR 플라즈마 증착은 아래와 같은 범위에서 동작되어야 한다.Based on the generated data, DECR plasma deposition should be operated in the following range.
- RF-전력: 50 내지 250 mW/cm2 RF power: 50 to 250 mW / cm 2
- 시스 전위: -30 내지 -105VSheath potential: -30 to -105 V
- 온도: 200 내지 600 ℃Temperature: 200-600 ° C.
이러한 조건들 하에서, Si-계 막 전구체 가스들로부터 높은 품질의 비정질 수소화 실리콘(a-Si:H)이 매우 높은 속도(>20 Å/s)로 성장될 수 있다. 이는 리액터에 MW를 공급하는 모든 모드에서도 적용된다. 또한, 저주파 펄스 모드에서, MW 펄스와 RF-바이어스를 동기화하는 것은 물질의 품질에 유익함을 발견하였다.Under these conditions, high quality amorphous silicon hydride (a-Si: H) can be grown from Si-based film precursor gases at a very high rate (> 20 kW / s). This also applies to all modes of supplying MW to the reactor. In addition, in low frequency pulse mode, it has been found that synchronizing the MW pulse and the RF-bias is beneficial for the quality of the material.
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