CN101555592A - 相位控制式制备功能薄膜的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用高频等离子体增强化学气相沉积法通过控制其中等离子体镀膜过程的射频电场的相位来批量化地制备功能薄膜的方法和系统。在一个使用包含多个负电极的批量式等离子体反应器的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)过程中，为了避免在近距离电极之间高次谐波的产生和电场干扰，施加于邻近负电极的射频(RF)电场的相位彼此移开180度。邻近电极之间的电场波将因为不同步且相位相反而相互抵消，避免干扰。这种等离子体激发方法尤其有利于在装有许多个平行电极的巨型等离子体反应箱中，使在许多大型基板上同步沉积的薄膜均匀且具有重复性。
Description
技术领域
本发明属于真空镀膜领域，特别涉及到一种使用高频等离子体增强化学气相沉积法通过控制其中等离子体镀膜过程的射频电场的相位来批量化地制备功能薄膜的方法和系统。
背景技术
太阳能光伏发电是获得有利于环境的可再生能源的重要途径之一，薄膜太阳能电池代表着光伏技术的发展趋势。基于硅薄膜的太阳能电池具有低成本，便于大面积制造集成的优点。
其中多晶硅薄膜太阳能电池，成本有竞争力，转换效率较高。因此，多晶硅薄膜电池将会在太阳能电地市场上占据重要地位。目前制备多晶硅薄膜电池的薄膜多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。此外，液相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池的薄膜。
而氢化非晶硅(简称非晶硅)薄膜太阳能电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。纳米硅太阳能电池是新近发展的，优点在于它的可大面积生产的工艺及稳定的良好光电转换性能。包括氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon，a-Si)和纳米硅(nano-crystalline silicon，nc-Si)的基于氢化硅的薄膜通常是用射频(RF)或甚高频(VHF)等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在大面积基板上获得。
为了提高上述真空镀膜系统的生产量，在一个给定的等离子体反应箱中，一般同时在尽可能多的基板上进行沉积。在此提出了一个等离子体反应箱的概念，使得在等离子体反应箱中可以同时驱动多个电极，以在多个区域中产生等离子体，在多个电池基板(或用于生长其它功能薄膜的基板)上同时进行沉积。
图1显示了现有技术中的这类PECVD等离子体反应箱中电极的排列。在一个真空室(即，等离子体反应箱)内部，置有多个接地的正电极7和多个用来产生等离子体的负电极(即，功率电极(power-electrode)或带电电极)8A、8B、8C、8D等等。这些平行板状正、负电极相互平行间隔放置且间距相等，这些平行板状电极的首尾均为正电极7。被镀膜的基板平行放在任一正电极7以及与其相邻的一个或两个负电极8A(8B、8C、8D、......)相对的两面之间。当外界提供的电力9A、9B、9C、9D等等分别施加于负电极8A、8B、8C、8D等等时，等离子体在相邻的正负电极之间的区域31中形成，并在基板上镀膜。
传统的生长工艺是使用向多个负电极独立提供电能(其激发频率一般为13.56MHz，而幅度即功率根据工艺而定的)的方法维持的，也就是说在多个平行的正电极和负电极之间的辉光放电是随机和独立产生的。一个严重的问题是，在同样的激发频率(例如13.56MHz)下，同时连续地供给到所有负电极的射频功率，由于相邻的负电极间距较小(不超过8厘米)且屏蔽不良，使RF辐射泄漏并耦合到邻近的等离子体形成区和电极中，RF电场彼此互相作用产生干扰。由于在等离子体反应箱的紧密空间中不可能提供充分的射频防护，邻近负电极中的干扰是在所难免的。RF干扰随功率的提高而更为严重。负电极(或者是在多个等离子体形成区域)中的严重干扰，造成了通过等离子体反应箱批量地在大型基板上进行薄膜沉积的很多问题：沉积率的不均匀或者是薄膜厚度的不均匀、薄膜厚度和性能的较差重复性、和等离子体的不稳定性。干扰导致的不均衡射频电场和不均匀薄膜沉积将严重地影响大面积沉积薄膜的性能和外观。对于这种功能薄膜部件的生产来说，性能和产量都受到不佳影响。
在此之前，人们采用了一些缓和干扰的方法，例如：对不同的负电极使用不同的激发频率、很小心地将负电极互相屏蔽开来、仅使用低功率密度、或是只使用低频率激发电源。然而，这些方法并不奏效。到目前为止，还没有找到简单和有效的方法来解决在等离子体反应箱中的电场射频干扰问题。因此企盼找到解决等离子体反应箱中的电场射频干扰问题的新方法和装置。
发明内容
基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的：提供一种使用高频等离子体增强化学气相沉积法通过控制其中等离子体镀膜过程的射频电场的相位来批量化地制备功能薄膜的方法和系统，从而消除等离子体反应箱(plasma-box)中相邻激发(带电)电极同时以同一频率供电时所产生的干扰现象。
为了达到上述发明目的，本发明公开了一个在等离子体薄膜沉积过程中射频或更高频激发功率的相位控制方法。在一个使用包含多个负电极的批量式等离子体反应器的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)过程中，为了避免在间隔紧密的电极中高次谐波的产生和干扰，施加于多个负电极的具有相同频率的多组射频(RF)功率的相位不是随机和独立的，而是被准确地控制，使相邻负电极的射频电场的相位错开180度。来自邻近电极的电场波的相互作用将因为反相而互相抵消。这种等离子体激发方法尤其有利于在装有许多个平行电极的巨型等离子体反应箱中，改善在许多大型基板上同步沉积的薄膜的均匀性和重复性。实现本发明的一个方法是：使用独一的射频信号发生器(master oscillator，石英振荡器)来驱动全部独立的电源供给通道(功率放大器)。然而，施加于每个射频功率放大器的射频信号的相位，都相对于其近邻电源错开180度，使得所有邻近的负电极的激发电场的相位都相反，最大程度的消除多个射频电场的彼此干扰。
具体地，根据本发明的一个方面，提供一种在等离子体反应箱内部使用高频等离子体增强化学气相沉积法批量化地制备功能薄膜的方法，其中在该等离子体反应箱内部，平行地放置多个板状的接地的正电极和多个板状的用来产生等离子体的负电极，这些平行板状正、负电极相互平行间隔放置且间距相等，这些平行板状电极的首尾均为正电极，用于在其上产生功能薄膜的基板平行放在任一正电极以及与其相邻的一个或两个负电极相对的两面之间，所述方法包括：将多个负电极被分成两个组，正、负电极按照正电极、第一组负电极中的一个负电极、正电极、第二组负电极中的一个负电极的顺序依次放置；向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能，施加于相邻负电极的电能的频率相同且相位相互错开180度。
根据本发明的一个方面，提供一种使用高频等离子体增强化学气相沉积法批量化地制备功能薄膜的系统，其中所述系统包括等离子体反应箱，在该等离子体反应箱内部，平行地放置多个板状的接地的正电极和多个板状的用来产生等离子体的负电极，这些平行板状正、负电极相互平行间隔放置且间距相等，这些平行板状电极的首尾均为正电极，用于在其上产生功能薄膜的基板平行放在任一正电极以及与其相邻的一个或两个负电极相对的两面之间。在所述系统中，将多个负电极分成两个组，正、负电极按照正电极、第一组负电极中的一个负电极、正电极、第二组负电极中的一个负电极的顺序依次放置；向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能，施加于相邻负电极的电能的频率相同且相位相互错开180度。
使接地电极从负电极中分离同样也是有利的。将负电极隔离开的接地正电极制造成比负电极大的多，接地电极的隔板或者是屏蔽作用可以降低相邻等离子区的高频率干扰。
根据本发明的方法特别适用于等离子体反应箱的PECVD过程，在多个基板上同时生长氢化硅薄膜，包括非晶硅、准纳米硅、纳米硅以及它们的有掺杂或者无掺杂的合金。一个直接的应用就是在大面积玻璃板上生成基于氢化薄膜硅的光伏器件。
根据本发明的本发明的方法和系统能够提高等离子体反应箱中PECVD大面积镀膜的均匀性和重复性。
附图说明
由以下结合附图的说明，将会更详细地理解本发明的示范性实施例，其中：
图1显示了现有技术中的具有多个平行电极的PECVD等离子体反应箱中电极的排列。
图2显示了根据本发明实施例的具有多个平行电极的PECVD镀膜反应箱中电极的排列。
图3显示了被施加于两个相邻带电电极的射频激发电场的相位关系。
具体实施方式
附图示出了本发明的示范性实施例，对它们进行参考以便获得对本发明、其优点及借助本发明的实施而实现的目的的充分理解。在下文中，将通过参考附图解释本发明的示范性实施例来详细说明本发明。在附图中相似或相同的参考数字表示相似或相同的元件。
本发明涉及对包括RF和VHF的高频率PECVD方法在用于批量式等离子体反应箱的PEVCD系统中生长薄膜中的改进。
图2显示了根据本发明实施例的具有多个平行电极的PECVD镀膜反应箱中电极的排列。
如图2所示，在一个等离子体反应箱内部，置有多个接地的正电极7和用来产生等离子体的多个负电极(即，功率电极或带电电极)8A、8B，其中多个负电极被分成两个组，第一组负电极用8A指示，第一组负电极用8B指示。这些平行板状正、负电极按照正电极、第一组负电极中的一个负电极、正电极、第二组负电极中的一个负电极的顺序相互平行间隔放置且间距相等，这些平行板状电极的首尾均为正电极7。被镀膜的基板平行放在任一正电极7以及与其相邻的一个或两个负电极8A(8B)相对的两面之间。当外界提供的两组相位相反、频率相同的电力9A、9B分别施加于两组负电极8A、8B时，等离子体在相邻的正负电极之间的区域31中形成，并在基板上镀膜。
在图1中，每个负电极的功率都是由一个独立的射频电源及相关的阻抗匹配器在同样的高频率(如13.56MHz)下来提供，反应箱中的多个负电极可以同时在多个区域内产生等离子体，从而同时在多个基板上镀上各类功能薄膜。
与图1不同，在图2中，在向多个负电极同时提供的射频或极高频的用于激发等离子体的电能时，所有被提供的高频功率的相位都得到统一的控制，而不是随机和相互独立的。即，提供给任何一个负电极的电能的交流电场的相位，都相对于其邻近的负电极产生的交流电场的相位而错开180度。如图3所示。
图3提供了两个相邻负电极的激发功率的相应交流电场的相位关系。两组电力9A和9B被施加于如图2所示的两个相邻负电极8A和8B之上。电力9A与电力9B的相位错开180度。也就是说，电力9A的交流电场的正峰值与电力9B的电场的谷值(负峰值)重合，反之亦然。射频或极高频的用于激发等离子体的电能的相位，即图2中高频电源9A、9B、9A、9B等等，都被有规律地调制，使它们相差180度，从而有效地抵消相邻负电极的激发电场。适当相位的错开可以最小化射频电场的干扰，及随之发生的等离子体的不均匀性，低重复性和不稳定性。
实现图2所示的根据本发明实施例中的相位相反、频率相同的激发电源9A、9B的一个实际方法是：使用一个单独的射频信号发生器(石英振荡器)来驱动全部单个的电源供给通道(功率放大器)。其中，施加于每个射频功率放大器的射频信号的相位都被彼此错开180度，也就是180度、360度、540度等等。这样就使得所有相邻的负电极的激发电源都具有相反的相位，最大程度的消除彼此干扰。
实现图2所示的根据本发明实施例中的相位相反、频率相同的激发电源9A、9B的另外一种方法是：使用一个具有特殊用途的相位转换器(phaseshifter，亦称相位调节器)，它可以连接到并控制多个独立的射频电源。这种相位转换器可以消除随机相位，使各个电源的输出功率具有被选定的相位。这种相位转换器已经成功地运用于单一真空室中包含多个磁控溅射靶的溅射设备中。该相位转换器也可以同样成功有效地应用于根据本发明的PEVCD系统。
根据本发明的本发明的方法和系统能够提高等离子体反应箱中PECVD大面积镀膜的均匀性和重复性。
尽管已经参考其示范性实施例具体示出并说明了本发明，但本领域普通技术人员会理解可以在此做出形式和细节上的各种变化，而不会脱离由以下权利要求所规定的本发明的精神和范围。
Claims (18)
1.一种在等离子体反应箱内部使用高频等离子体增强化学气相沉积法批量化地制备功能薄膜的方法，其中在该等离子体反应箱内部，平行地放置多个板状的接地的正电极和多个板状的用来产生等离子体的负电极，这些平行板状正、负电极相互平行间隔放置且间距相等，这些平行板状电极的首尾均为正电极，用于在其上产生功能薄膜的基板平行放在任一正电极以及与其相邻的一个或两个负电极相对的两面之间，其特征在于：
将多个负电极被分成两个组，正、负电极按照正电极、第一组负电极中的一个负电极、正电极、第二组负电极中的一个负电极的顺序依次放置；
向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能，施加于相邻负电极的电能的频率相同且相位相互错开180度。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的波形是幅度相同的正弦波。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的波形是幅度不同的正弦波。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的频率是射频或更高的频率。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的频率是13.56MHz。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
使用单独的射频信号发生器来驱动向多个负电极每一个提供电能的电能提供通道，其中，施加于每个电能提供通道的射频信号的相位都被彼此错开180度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
使用连接多个独立的射频电源的相位转换器，控制该多个独立的射频电源的相位彼此错开180度，以向多个负电极相应的每一个提供电能。
8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的方法，其特征在于：
将负电极隔离开的接地正电极比负电极大。
9.如权利要求1-7中任一权利要求所述的方法，其特征在于：在等离子体反应箱的沉积过程中，在多个基板上同时生长的薄膜是氢化硅薄膜，包括非晶硅、准纳米硅、纳米硅以及它们的有掺杂或者无掺杂的合金薄膜。
10.一种使用高频等离子体增强化学气相沉积法批量化地制备功能薄膜的系统，其中所述系统包括等离子体反应箱，在该等离子体反应箱内部，平行地放置多个板状的接地的正电极和多个板状的用来产生等离子体的负电极，这些平行板状正、负电极相互平行间隔放置且间距相等，这些平行板状电极的首尾均为正电极，用于在其上产生功能薄膜的基板平行放在任一正电极以及与其相邻的一个或两个负电极相对的两面之间，其特征在于：
将多个负电极被分成两个组，正、负电极按照正电极、第一组负电极中的一个负电极、正电极、第二组负电极中的一个负电极的顺序依次放置；
向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能，施加于相邻负电极的电能的频率相同且相位相互错开180度。
11、如权利要求10所述的系统，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的波形是幅度相同的正弦波。
12、如权利要求10所述的系统，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的波形是幅度不同的正弦波。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的频率是射频或更高的频率。
14.如权利要求10所述的系统，其特征在于：向多个负电极提供用于激发等离子体的高频电能的频率是13.56MHz。
15.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
所述系统还包括射频信号发生器，使用该射频信号发生器来驱动向多个负电极每一个提供电能的电能提供通道，其中，施加于每个电能提供通道的射频信号的相位都被彼此错开180度。
16.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
所述系统还包括连接多个独立的射频电源的相位转换器，使用该相位转换器控制该多个独立的射频电源的相位彼此错开180度，以向多个负电极相应的每一个提供电能。
17.如权利要求10-16中任一权利要求所述的系统，其特征在于：
将负电极隔离开的接地正电极比负电极大。
18.如权利要求10-16中任一权利要求所述的系统，其特征在于：在等离子体反应箱的沉积过程中，在多个基板上同时生长的薄膜是氢化硅薄膜，包括非晶硅、准纳米硅、纳米硅以及它们的有掺杂或者无掺杂的合金薄膜。
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