專利名稱：可獲得均勻電場(chǎng)的大面積vhf-pecvd反應(yīng)室瓦片式功率電極的制作方法
可獲得均勻電場(chǎng)的大面積vhf-pecvd反應(yīng)室瓦片式功率電
極
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅薄膜太陽(yáng)電池和平板顯示領(lǐng)域中的薄膜晶體管矩陣技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式形狀功率電極。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，已有報(bào)道應(yīng)用甚高頻(VHF)技術(shù)到PECVD的方法可以增加薄膜的沉積速率，并且研究結(jié)果表明采用VHF激發(fā)等離子體，能夠減小等離子體鞘層厚度和鞘層電壓， 從而降低電子溫度、降低轟擊襯底的離子能量；能夠增大輸送到生長(zhǎng)表面的離子流量，提高 沉積速率；同時(shí)又能增大薄膜中晶粒的顆粒尺寸，并且與常規(guī)的非晶/微晶硅薄膜太陽(yáng)電 池制備工藝具有良好的技術(shù)兼容性。因此，人們對(duì)VHF-PECVD在非晶硅/微晶硅薄膜太陽(yáng) 電池工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用產(chǎn)生很大的興趣。在工業(yè)上，射頻13. 56MHz驅(qū)動(dòng)的電容耦合平行板電極PECVD反應(yīng)室被廣泛用于非晶硅薄膜、二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜的等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積或者薄膜刻蝕；面積超過(guò) Im2的矩形PECVD反應(yīng)室被用來(lái)生產(chǎn)光伏太陽(yáng)電池以及用于大面積平板顯示器的薄膜晶體 管矩陣。這些工業(yè)應(yīng)用對(duì)薄膜厚度的非均勻性要求較高。在射頻平行板電極反應(yīng)室中沉積 或刻蝕的過(guò)程中，許多因素可以導(dǎo)致薄膜橫向生長(zhǎng)非均勻性的產(chǎn)生。這包括基底和電極的 非理想接觸、基底的幾何形狀、不恰當(dāng)?shù)臍怏w流量分布、等離子體中存在粉塵顆粒污染、電 極的不對(duì)稱，以及各種靜電學(xué)和電磁場(chǎng)效應(yīng)等?？紤]到等離子體的參數(shù)和反應(yīng)室的設(shè)計(jì)，這 些效應(yīng)在各種激發(fā)頻率下均有顯著的影響，但通常通過(guò)反應(yīng)室的合理設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)墓に噮?數(shù)調(diào)整可以得到部分或全部解決。然而，隨著應(yīng)用于大面積反應(yīng)室的激發(fā)頻率提高時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)的電容耦合平板電極反應(yīng)室，其電場(chǎng)駐波效應(yīng)嚴(yán)重影響了電極間電場(chǎng)分布的均勻性。在40. 68MHz激發(fā)頻率情 況下，平行板電極間的真空電場(chǎng)分布呈中央?yún)^(qū)域強(qiáng)邊緣弱的狀態(tài)?？紤]到由于等離子體的 存在所引起的波長(zhǎng)衰減或惡化效應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)室的尺寸大約是處于激發(fā)頻率下自由空間中的 波長(zhǎng)λ。(在13. 56MHz下λ。/4 = 5. 53m，在IOOMHz時(shí)僅為0. 75m)的四分之一時(shí)，駐波效 應(yīng)已經(jīng)顯得更加嚴(yán)重。要想得到均勻的等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻的沉積或刻蝕，需要對(duì)反應(yīng)室， 特別是其中的功率電極結(jié)構(gòu)及其功率饋入方式進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。因此，獲得電場(chǎng)均勻的大 面積VHF-PECVD電極設(shè)計(jì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，VHF技術(shù)主要是在實(shí)驗(yàn)室的小尺寸PECVD反應(yīng)室應(yīng)用，而在工業(yè)化生產(chǎn)中的大面積PECVD反應(yīng)室僅有國(guó)外少數(shù)幾家公司采用，如瑞士歐瑞康(Oerlikon)公司采用 40. 68MHz激發(fā)頻率的倒扣碗狀弧面電極大面積VHF-PECVD反應(yīng)室；日本三菱重工(MHI) 采用60MHz激發(fā)頻率的梯形電極大面積VHF-PECVD反應(yīng)室；日本石川島播磨重工業(yè)公司 (IHI)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室，采用了 85MHz激發(fā)頻率的“U”形電極。這些大面積 VHF-PECVD反應(yīng)室及其功率電極的設(shè)計(jì)各有特色，也各有缺點(diǎn)。本發(fā)明的可獲得均勻電場(chǎng)的 大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電極結(jié)構(gòu)區(qū)別目前國(guó)內(nèi)外已有的功率電極結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供一種可獲得均勻電場(chǎng)的大面積 VHF-PECVD反應(yīng)室功率電極。該電極的形狀及功率饋入方式設(shè)計(jì)，可以解決由電場(chǎng)非均勻分 布所引起的等離子體非均勻性的問(wèn)題，并可以獲得實(shí)用化的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室，進(jìn) 而促進(jìn)低成本硅薄膜太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)了一種可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室 瓦片式功率電極，包括功率電極板和功率饋入連接端口，其特征在于所述功率電極板的板 面為單面或雙面的內(nèi)凹弧形曲面，弧形曲面軸向與功率饋入連接端口平行；所述功率饋入 連接端口為偶數(shù)個(gè)點(diǎn)，對(duì)稱設(shè)置在功率電極板的端面上。本發(fā)明的有益效果是可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電極利用與襯底S正對(duì)的瓦片狀弧形曲面，修正了電極間駐波效應(yīng)對(duì)電場(chǎng)分布均勻性的影 響，使電場(chǎng)分布均勻性得到的改善。本發(fā)明解決了大面積VHF-PECVD反應(yīng)室電極間電場(chǎng)分 布的均勻性問(wèn)題，為研發(fā)大面積VHF-PECVD薄膜沉積和刻蝕系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，可有力推動(dòng) 硅薄膜電池和薄膜晶體管矩陣技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

圖1單面瓦片式功率電極PECVD反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖；圖2兩點(diǎn)饋入條形單面瓦片式功率電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖3四點(diǎn)饋入單面瓦片式功率電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖440. 68MHz激發(fā)頻率下四點(diǎn)功率饋入瓦片式功率電極曲面深度分布圖；圖540. 68MHz激發(fā)頻率下采用四點(diǎn)功率饋入瓦片式功率電極后的真空電場(chǎng)分布 圖；圖660MHz激發(fā)頻率下四點(diǎn)功率饋入瓦片式功率電極曲面深度分布圖；圖760MHz激發(fā)頻率下采用四點(diǎn)功率饋入瓦片式功率電極后的真空電場(chǎng)分布圖；圖8八點(diǎn)饋入單面瓦片式功率電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖940. 68MHz激發(fā)頻率下八點(diǎn)功率饋入瓦片式功率電極曲面深度分布圖；圖1040. 68MHz激發(fā)頻率下采用八點(diǎn)功率饋入瓦片式功率電極后的真空電場(chǎng)分布 圖；圖11雙面對(duì)稱瓦片式功率電極PECVD反應(yīng)室示意圖；圖12兩點(diǎn)饋入雙面對(duì)稱條形瓦片式功率電極結(jié)構(gòu)示意圖。以下結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電極，由功率電 極板和功率饋入連接端口組成，功率電極板的板面可以為單面或雙面的內(nèi)凹弧形曲面，弧 形曲面軸向與功率饋入連接端口所在端面平行。其中所述功率饋入連接端口可以為兩點(diǎn)、 四點(diǎn)、八點(diǎn)或八點(diǎn)以上；所述功率電極板是實(shí)心電極板或是具有小孔的Showerhead形式的 電極板；所述功率電極板的正投影(A向)是正方形或長(zhǎng)方形；所述功率饋入連接端口的每個(gè)端口的相位相等、振幅相等。采用本發(fā)明的大面積瓦片式形狀功率電極VHF-PECVD反應(yīng)室如圖1所示。由接地反應(yīng)室5、接地電極1、襯底S 3、瓦片式功率電極板4、電源功率饋入端口及傳輸線2等組 成。功率饋入端口及功率傳輸線位于瓦片式功率電極板相對(duì)的兩個(gè)端面，瓦片式功率電極 板的弧形曲面與襯底S相對(duì)。本發(fā)明根據(jù)電源的激發(fā)頻率以及電極的尺寸，優(yōu)化設(shè)計(jì)功率饋入連接端口數(shù)量、 位置分布和瓦片的弧形曲面形狀，通過(guò)對(duì)功率饋入連接端口在功率電極邊緣的位置優(yōu)化分 布，使電場(chǎng)分布在電極寬度方向上實(shí)現(xiàn)均勻分布均勻；在電極長(zhǎng)度方向上，利用電極間距的 變化抑制駐波效應(yīng)，從而可獲得電極間相對(duì)均勻的電場(chǎng)分布。本發(fā)明所述瓦片式形狀電極，根據(jù)電極的寬度，在瓦片式電極板相對(duì)邊緣設(shè)置不 同數(shù)量的饋入點(diǎn)。如圖2、3、8分別給出了兩點(diǎn)、四點(diǎn)、八點(diǎn)的功率饋入連接端口方式。理論 上電極的寬度不受限制，可以根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時(shí)合理設(shè)計(jì)饋入點(diǎn)的數(shù)量。一 般在生產(chǎn)中應(yīng)用的平米級(jí)PECVD系統(tǒng)，所用電極形狀一般為長(zhǎng)方形。對(duì)于電極寬度比較小 的長(zhǎng)方形(條形)電極(圖2示)，也可以看作是線型電極，在柔性襯底薄膜沉積的卷對(duì)卷 系統(tǒng)中應(yīng)用。本發(fā)明所述的瓦片式功率電極的長(zhǎng)度和寬度，在電極滿足面積一定條件下，電極 的長(zhǎng)寬尺度可根據(jù)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。本發(fā)明在保證電源激發(fā)頻率對(duì)應(yīng)的電磁波真空波長(zhǎng)四分之一小于電極的長(zhǎng)度的 條件下，可以在任意激發(fā)頻率和任意面積大小的PECVD反應(yīng)室中采用，并可獲得相對(duì)均勻 的電場(chǎng)分布。本發(fā)明所述的瓦片式功率電極，也可以是雙面對(duì)稱瓦片式功率電極，如圖11、12 所示。對(duì)于這種雙面瓦片式功率電極，功率饋入端位于電極的對(duì)稱線上，其電極饋入端的數(shù) 量設(shè)置與單面瓦片式功率電極相同，需根據(jù)電極的尺寸進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的可獲得均勻電場(chǎng)的功率電極設(shè)計(jì)方案，依據(jù)基本的電磁場(chǎng)理論知識(shí)，利 用多點(diǎn)功率饋入和瓦片式形狀功率電極，可以達(dá)到改善電場(chǎng)分布均勻性的目的。實(shí)施例1本例的瓦片式功率電極VHF-PECVD反應(yīng)室結(jié)構(gòu)如圖1所示，在電極邊緣處的電極 間距設(shè)為0. 02m，其中矩形單面瓦片式電極如圖3所示，長(zhǎng)度L = 1. 2m,寬度W = 0. 6m,厚度 T = O. 01m，采用邊緣對(duì)稱四點(diǎn)功率饋入。本例針對(duì)40. 68MHz和60MHz的兩個(gè)激發(fā)頻率，對(duì) 瓦片式功率電極的曲面深度進(jìn)行了理論計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖4和圖6所示。在40. 68MHz 激發(fā)頻率下，瓦片式功率電極的最大曲面深度達(dá)到0. 48cm(圖4)；而在60MHz激發(fā)頻率下， 瓦片式功率電極的最大曲面深度達(dá)到1. 39cm(圖6)。因此，采用不同的激發(fā)頻率，需要對(duì)瓦 片狀曲面深度分布進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。此外，圖5和圖7給出了采用瓦片狀功率電極后在兩種 激發(fā)頻率下的真空電場(chǎng)分布，從這兩種激發(fā)頻率的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，瓦片式功率電極的應(yīng)用， 消除了由駐波效應(yīng)而引起的電場(chǎng)非均勻分布。實(shí)施例2本例中矩形瓦片式電極長(zhǎng)度L = 1. Im,寬度W = 1. 2m,厚度T = 0. Olm,采用邊緣八 點(diǎn)功率饋入，功率饋入點(diǎn)位置如附圖8所示。采用本例設(shè)計(jì)的瓦片式功率電極結(jié)構(gòu)的PECVD 反應(yīng)室，應(yīng)用40. 68MHz的激發(fā)頻率電源，其瓦片狀曲面深度的分布的理論計(jì)算結(jié)果如圖9所示，瓦片式功率電極的最大曲面深度達(dá)到0.42cm。從計(jì)算結(jié)果也可以看出，電極寬度增加，需要同時(shí)增加功率饋入點(diǎn)數(shù)目。圖10也給出了采用瓦片式功率后的電極間真空電場(chǎng)分 布，很明顯可以看到駐波效應(yīng)被消除。
權(quán)利要求
一種可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電極，包括功率電極板和功率饋入連接端口，其特征在于所述功率電極板的板面為單面或雙面的內(nèi)凹弧形曲面，弧形曲面軸向與功率饋入連接端口平行；所述功率饋入連接端口為偶數(shù)個(gè)點(diǎn)，對(duì)稱設(shè)置在功率電極板的端面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電 極，其特征在于所述功率饋入連接端口為兩點(diǎn)、四點(diǎn)、八點(diǎn)或八點(diǎn)以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率 電極，其特征在于所述功率電極板是實(shí)心電極板或是具有小孔的Showerhead形式的電極 板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率 電極，其特征在于所述功率電極板的正投影是正方形或長(zhǎng)方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電 極，其特征在于所述功率饋入連接端口的每個(gè)端口的相位相等、振幅相等。
全文摘要
本發(fā)明是一種可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電極，包括功率電極板和功率饋入連接端口，其特征在于所述功率電極板的板面為單面或雙面的內(nèi)凹弧形曲面，弧形曲面軸向與功率饋入連接端口平行；所述功率饋入連接端口為偶數(shù)個(gè)點(diǎn)，對(duì)稱設(shè)置在功率電極板的端面上。本發(fā)明的可獲得均勻電場(chǎng)的大面積VHF-PECVD反應(yīng)室瓦片式功率電極利用與襯底S正對(duì)的瓦片狀弧形曲面，修正了電極間駐波效應(yīng)對(duì)電場(chǎng)分布均勻性的影響，使電場(chǎng)分布均勻性得到的改善。本發(fā)明解決了大面積VHF-PECVD反應(yīng)室電極間電場(chǎng)分布的均勻性問(wèn)題，為研發(fā)大面積VHF-PECVD薄膜沉積和刻蝕系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，可有力推動(dòng)硅薄膜電池和薄膜晶體管矩陣技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
文檔編號(hào)H01J37/32GK101800148SQ20101012551
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者張曉丹, 葛洪, 趙穎 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)