CN100519836C - 可获得均匀电场的大面积vhf-pecvd反应室异形电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极。它的功率电极板在功率馈入端口附近设有对应的附加电极片，所述附加电极片平行于功率电极板水平面，所述附加电极片的厚度小于功率电极板，所述附加电极片连接在功率电极板的功率电极面的边缘。本发明的异形功率电极可以在任意激发频率和任意面积大小的PECVD反应室中采用。这种异形功率电极利用电极功率馈入端口的附加电极改变电极表面电流分布，可以抑制电极馈入端口附近电势的对数奇点效应。

Description

可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极

【技术领域】

本发明涉及硅薄膜太阳电池和平板显示领域中的薄膜晶体管矩阵的技术领域，特别是一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极。

【背景技术】

近年来已有报道证明，应用甚高频(VHF)技术到PECVD的方法可以增加薄膜的沉积速率，并且研究结果表明：VHF-PECVD完全适合微晶硅薄膜和非晶硅薄膜的高速沉积。然而，VHF-PECVD的应用研究通常是在小尺寸PECVD反应室中进行的，因而并不能直接应用于大规模工业生产中。射频电容耦合平行板电极反应室被广泛用于非晶硅薄膜、二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜的等离子增强化学气相沉积或者薄膜刻蚀；面积超过1m2的矩形PECVD反应室被用来生产光伏太阳电池以及用于大面积平板显示器的薄膜晶体管矩阵。这些工业应用对薄膜厚度的不均匀性要求较高。总体上，这些反应室用标准13.56MHz激发频率来驱动，但人们对使用更高的频率(甚高频技术，VHF)有浓厚的兴趣。采用VHF激发等离子体，能够减小等离子体鞘层厚度和电压从而降低电子温度、降低轰击衬底的离子能量，增大了输送到生长表面的离子流量，既能提高沉积速率又能增大薄膜中晶粒的颗粒尺寸，并且与常规的非晶/微晶硅薄膜太阳电池制备工艺具有良好的技术兼容性。因此，人们对VHF-PECVD在工业上的应用产生很大的兴趣。

在射频平行板反应室中沉积或刻蚀的过程中，许多因素可以导致薄膜横向生长非均匀性的产生。这包括基底和电极的非理想接触、基底的几何形状、不恰当的气体流量分布、等离子体中存在粉尘颗粒污染、电极的不对称，以及各种静电学和电磁场效应等。由于在等离子体的参数和反应室的设计中，这些效应在各种激发频率下均有显著的影响，而通常通过反应室的合理设计和适当的工艺参数调整可以得到部分或全部解决。然而，随着应用于大面积反应室的激发频率提高时，在传统的电容耦合平行板电极反应室或应用梯型电极的反应室中，电势驻波效应和功率馈入连接端的电势对数奇点效应严重影响了电势分布的均匀性。由于等离子体的存在所引起的波长衰减或恶化效应，当反应室的尺寸大约是处于激发频率下自由空间中的波长λ₀(在13.56MHz下λ₀/4＝5.53m，在100MHz时仅为0.75m)的四分之一时，驻波非均匀性已经变得重要。要想得到均匀的等离子体来实现均匀的沉积或刻蚀，必须对反应室(主要是其中的电极)进行合理的设计来抑制反应室中的电磁驻波效应。因此，获得电场均匀的大面积VHF-PECVD电极设计，具有重要的现实意义和应用价值。

【发明内容】

本发明的目的旨在为解决现有技术的这些问题，而提供一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，该电极可以获得实用化的大面积VHF-PECVD反应室，提供电场均匀的电极设计方案，进而促进低成本硅薄膜太阳电池的产业化进程。

本发明为实现上述目的设计了一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极。它包括功率电极板和功率馈入端口，其特征在于所述功率电极板在功率馈入端口附近设有对应的附加电极片，所述附加电极片平行于功率电极板水平面，所述附加电极片连接在功率电极板的功率电极面的边缘。

所述功率馈入端口可以为两端、四端、六端或八端相对对称设置在功率电极的与电极平面垂直的两个侧面或四个侧面上。

所述功率电极板的功率电极面可以是单面或双面的。

所述功率馈入端口可以是水平设置在与功率电极板平面垂直的侧面上。

所述功率馈入端口也可以是垂直设置在功率电极板电极面的相背的另一面上。

所述功率馈入端口可为点接触式或为线接触式馈入。

所述附加电极片可以是弧形(圆弧或椭圆弧)或是矩形等其它形状。

所述附加电极片与功率电极板可以是整体的，也可以是分体连接上去的。

本发明采用这种异形电极可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室，反应室包括：接地反应室，功率电极，接地电极，功率传输线与功率馈入端口。所述功率电极板在功率馈入端口附近设有对应的附加电极片，所述附加电极片平行于功率电极板水平面，所述附加电极片的厚度小于功率电极板，所述附加电极片连接在功率电极板的功率电极面的边缘。

本发明的异形功率电极可以在任意激发频率和任意面积大小的PECVD反应室中采用。这种异形功率电极利用电极功率馈入端口的附加电极改变电极表面电流分布，可以抑制电极馈入端口附近电势的对数奇点效应。本发明通过优化大面积甚高频功率源馈入方式、电极形状等，解决了大面积电极板电位分布均匀性，是研发大面积VHF-PECVD薄膜沉积和刻蚀系统的可靠保证，可有力推动硅薄膜电池和薄膜晶体管矩阵技术产业化进程。

【附图说明】

图1为大面积异形平行板电极PECVD反应室示意图；

图2为大面积异形平行板电极及功率馈入端口分布示意图；

图3为大面积异形平行板电极平面示意图；

图4为弧形异形电极结构示意图；

图5为弧形异形电极平面示意图；

图6为弧形异形平行板电极间真空电场分布理论计算结果；

图7为矩形I异形电极结构示意图；

图8为矩形I异形电极平面示意图；

图9为矩形I异形平行板电极间真空电场分布理论计算结果；

图10为矩形II异形电极结构示意图；

图11为矩形II异形电极平面示意图；

图12为矩形II异形平行板电极间真空电场分布理论计算结果；

图13为弧形背馈入式异形电极结构示意图；

图14为弧形背馈入式异形电极平面示意图；

图15为弧形背馈入式异形平行板电极间真空电场分布理论计算结果。

【具体实施方式】

以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。

本发明采用的大面积异形平行板电极的VHF-PECVD反应室主要由接地不锈钢反应室R、放置衬底的接地电极G、衬底S、异形平行板功率电极P、电源功率传输线L1、L2及连接端口D1、D2、D3、D4组成，如附图1、2所示。

本发明重新设计的功率电极板结构中，功率电极板在功率馈入端口附近设有对应的附加电极片，附加电极片平行于功率电极板水平面，附加电极片的厚度小于功率电极板，附加电极片连接在功率电极板的功率电极面的边缘。如附图2、3所示。电极侧面四端对称功率馈入方式，功率传输线与功率电极的连接端口D1、D4和D2、D3分别位于功率电极相对的两个侧面，同时在功率馈入四个端口D1、D2、D3和D4附近面向衬底一侧附加了四个附加电极片。依据功率电极馈入端口位置设计的异形平行板电极，可以改变功率馈入端口附近电流分布，由此来影响电极间电势分布的均匀性。

对于功率馈入方式，本发明可以采用电极点接触式馈入，也可以是线型接触式馈入。可以采用四端对称馈入方式，实际应用中可根据电极尺寸也可以采用两端、六端、八端等馈入方式。

对于功率电极的附加电极片设计：

根据反应室的结构，功率电极板与衬底相对的平面为电极平面，附加电极片则连接在其边缘。如果是双面电极，即功率电极有两个平面都用来进行处理等离子体薄膜沉积或刻蚀，功率电极的这两个相对衬底的平面边缘都需连接附加电极片。附加电极片的形状可以是圆弧形、矩形、半椭圆形以及其它形状等等。附加电极片对称地连接在功率馈入端口一侧的电极平面边缘处。

实施例1

弧形异形电极结构示意图(图4所示)。

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用侧面四端对称馈入方式，四个功率馈入端口中心位于电极L长边侧面的水平中线位置，两端口中心相距70cm；每个端口一侧附加一圆弧形电极，与矩形电极构成一个平面，这一平面在反应室中与衬底平面正对。圆弧形电极的半径为15cm，厚度1cm，高度为9cm。弧形异形电极平面形状如图5所示。

应用40.68MHz的激发频率电源，四端等相位、等振幅功率馈入。采用本例设计的异形电极结构的PECVD反应室，其电极间电场分布在40.68MHz激发频率下的理论计算结果如图6所示。图中可以看出：电场分布非均匀性大约在±4％，这一结果显然小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

实施例2

矩形I异形电极结构(图7所示)。

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用侧面四端对称馈入方式，四个功率馈入端口中心位于电极L长边侧面的水平中线位置，两端口中心相距70cm；每个端口一侧附加一小矩形电极，与大面积矩形电极构成一个平面，这一平面在反应室中与衬底平面正对。小矩形电极的长30cm，宽8cm，厚度为1cm，其长外边缘不及功率电极的长度边缘。矩形I异形电极平面形状如8所示。

应用40.68MHz的激发频率电源，四端等相位、等振幅功率馈入。采用本例设计的矩形I异形电极结构的PECVD反应室，其电极间电场分布在40.68MHz激发频率下的理论计算结果如图9所示。图中可以看出：电场分布非均匀性大约在±4％，这一结果显然小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

实施例3

矩形II异形电极结构(图10所示)

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用侧面四端对称馈入方式，四个功率馈入端口中心位于电极L长边侧面的水平中线位置，两端口中心相距70cm；每个端口一侧附加一小矩形电极，与大面积矩形电极构成一个平面，这一平面在反应室中与衬底平面正对。小矩形电极的长为40cm，宽8.5cm，厚度1cm，其长外边缘与功率电极的长度边缘重叠。矩形II异形电极平面形状如图11所示。

应用40.68MHz的激发频率电源，四端等相位、等振幅功率馈入。采用本例设计的矩形II异形电极结构的PECVD反应室，其电极间电场分布在40.68MHz激发频率下的理论计算结果如图12所示。图中可以看出：电场分布非均匀性大约在±4％，这一结果显然小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

实施例4

弧形背馈入式异形电极结构(图13所示)。

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用背面边缘四端对称馈入方式，四个功率馈入端口中心位于电极L长边背面的边缘位置，功率传输线与电极平面垂直，两端口中心相距70cm；每个端口的另一侧附加一圆弧形电极，与矩形电极构成一个平面，这一平面在反应室中与衬底平面正对。圆弧形电极的半径15cm，厚度1cm，高度为8cm。该弧形背馈入式异形电极平面形状如图14所示。

应用40.68MHz的激发频率电源，四端等相位、等振幅功率馈入。采用本例设计的异形电极结构的PECVD反应室，其电极间电场分布在40.68MHz激发频率下的理论计算结果如图15所示。图中可以看出：电场分布非均匀性大约在±4％，这一结果显然小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

Claims (8)

1、一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，包括功率电极板和功率馈入端口，其特征在于所述功率电极板在功率馈入端口附近设有对应的附加电极片，所述附加电极片平行于功率电极板水平面，所述附加电极片连接在功率电极板的功率电极面的边缘。

2、根据权利要求1所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，其特征在于所述功率馈入端口为两端、四端、六端或八端；所述功率馈入端口为两端时，端口相对对称设置在功率电极的与电极平面垂直的两个侧面上，所述功率馈入端口为四端、六端或八端时，端口相对对称设置在功率电极的与电极平面垂直的两个侧面或四个侧面上。

3、根据权利要求1或2所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，其特征在于所述功率电极板的功率电极面是单面或双面的。

4、根据权利要求3所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，其特征在于所述功率馈入端口水平设置在与功率电极板平面垂直的侧面上。

5、根据权利要求1或2所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，其特征在于所述功率馈入端口垂直设置在功率电极板电极面的相背的另一面上。

6、根据权利要求1或2所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，其特征在于所述功率馈入端口为点接触式或线接触式馈入。

7、根据权利要求6所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，其特征在于所述附加电极片是弧形或矩形。

8、根据权利要求7所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室异形电极，其特征在于所述附加电极片与功率电极板是整体的，或是分体连接上去的。

Images