CN101555593B - 非同步脉冲式制备功能薄膜的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及均匀沉积薄膜的方法和系统。等离子体反应器中包含多个外界电源驱动的负电极。PECVD过程中，以脉冲的形式周期性地向多个负电极提供射频或极高频电能，脉冲频率为300Hz-50kHz，脉冲宽度不大于半周期。施加于邻近负电极的脉冲式功率的脉峰(“开”态)彼此相互错开。当一负电极的电源处于“开”态时，其邻近的负电极的电源处于“闭”态，由它们所驱动的等离子体区域不在同时受到激发，排除在邻近等离子体区之间的干扰。当脉冲宽度控制得较窄时，这种脉冲“开”态时间控制可延至多个邻近电极。本发明极大地提高沉积的均匀度和重复性，降低了射频PECVD过程中粒子/粉末的形成。尤其适于在大型基板上同步沉积的、包含许多个平行电极的巨型等离子体反应箱。
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化学气相沉积法通过非连续性的脉冲式(pulsed)高频激发等离子体来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，成本较低，转换效率较高。因此，多晶硅薄膜电池将会在太阳能电池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。
而氢化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效率问题，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，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon，a-Si)和纳米硅(nano-crystalline silicon，nc-Si)等的基于氢化硅的薄膜通常是用射频等离子体增强化学气相沉积法(RF-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，置有多个接地的板状正电极7 和多个用来产生等离子体的板状负电极(即，功率电极(power-electrode)或带电电极)8A、8B、8C、8D等等。这些板状正、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。被镀膜的电池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，并在电池基板上镀膜。
传统的生长工艺使用连续激发等离子体的镀膜过程，也就是说在平行的正电极和负电极之间的辉光放电是依靠连续地向负电极提供电能的方法维持的。这种方法的一个缺点是在使用大功率电能生长氢化硅薄膜时，等离子体中的离子和聚合化的硅颗粒密度随着氢化硅薄膜的生长速率的提高而增大，从而导致颗粒和粉末沉积于真空反应室的内表面上，并进入所镀薄膜而影响其光电质量。这种颗粒和粉末也往往造成大面积光电器材结构上的缺陷，比如分流短路。这个问题在广为采用的相对低温生产氢化硅太阳能电池时尤为明显。
另外一个严重的问题是，在同样的激发频率(例如13.56MHz)下，连续的RF(射频)功率同时供给到全部负电极。由于相邻的负电极间距较小(不超过8厘米)，使RF辐射泄漏并耦合到邻近的等离子体区和电极中，在等离子体形成区31中耗散的RF功率彼此互相作用产生干扰。RF干扰随功率的提高而更为严重。RF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。
到目前为止，仍然没有找到简单有效的方案来解决在等离子体反应箱中的RF干扰(干涉)问题。因此企盼找到解决等离子体反应箱中的RF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：提供一种非连续性的脉冲式(pulsed)高频激发等离子体的方法和系统，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，本发明公开了一种在薄膜沉积过程中使用脉冲调制式功率并准确控制脉冲波的等离子体激发方法。在一个包含多个负电极的等离子反应器中，在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)过程中，向负电极提供的用于激发等离子体的射频或极高频的电能被周期性地调制，以脉冲形式向多个负电极(激发电极)提供射频或极高频(甚高频)电功率。脉冲的频率范围为300Hz-50kHz，且每周期内脉冲的宽度(“开”态)不大于半个调制周期，最好小于三分之一周期。施加于邻近负电极的脉冲式功率的脉峰(“开”态)彼此间相互错开。当一个负电极的电源处于“开”态时，邻近的负电极的电源处于“闭”态，使由它们所驱动的等离子体区域不在同一个瞬间受到激发。所以，在邻近等离子体区之间的干扰被排除。当射频功率的脉冲宽度被控制得相对窄时，这种脉冲“开”态的时间控制可以延伸至多个邻近电极。沉积的均匀度和重复性都可以有很大的提高。同样，在提高沉积率的同时，脉冲式RF PECVD也降低了颗粒/粉末的形成。这项发明尤其适用于在大型基板上同步沉积的、包含许多个平行电极的巨型等离子体反应箱。
除了以上所述的避免干涉的功效外，脉冲供能可以使高质量的薄膜以高速率沉积，同时减少在等离子体中形成的颗粒和粉末。这样的话，在等离子的生长过程中可以施加更大的有效功率，从而以更高的速率生长出原子结构更为紧凑的薄膜。该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。
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i+1个板状的接地的正电极和i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，其中分别向i个负电极提供用于激发等离子体的i个高频电能，所述i个高频电能分别被进行脉冲调制，使得在调制脉冲的“开”态，向负电极提供高频电能，在调制脉冲的“关”态，不向负电极提供高频电能，其中，调制脉冲宽度不大于 T/i(T为调制周期)，并且施加于向任何负电极提供的高频电能的调制脉冲都相对于施加于向其相邻负电极提供的高频电能的调制脉冲而时间移动T/i，使得在任何一个瞬间，最多只有一个负电极被提供高频电能而处于激发状态，i为大于1的自然数。
根据本发明的一个方面，提供一种使用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i+1个板状的接地的正电极和i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，其中分别向i个负电极提供用于激发等离子体的i个高频电能，所述i个高频电能分别被进行脉冲调制，使得在调制脉冲的“开”态，向负电极提供高频电能，在调制脉冲的“关”态，不向负电极提供高频电能，其中，调制脉冲宽度不大于T/i(T为调制周期)，并且施加于向任何负电极提供的高频电能的调制脉冲都相对于施加于向其相邻负电极提供的高频电能的调制脉冲而时间移动T/i，使得在任何一个瞬间，最多只有一个负电极被提供高频电能而处于激发状态，i为大于1的自然数。
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、稳定性和重复性。
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等离子体镀膜反应箱中两类电极的排列关系。
图2显示了根据本发明实施例的基于两个带电电极的周期性脉冲式功率施加过程中激发脉波之间的时间关系。
图3显示了根据本发明实施例的基于三个带电电极的周期性脉冲式功率施加过程中激发脉波之间的时间关系。
图4显示了根据本发明实施例的基于分组的多个带电电极的周期性脉冲式功率施加过程中激发脉波之间的时间关系。
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。与传统的高频率PECVD方法相比，本发明使用脉冲功率调制方法来调制向负电极提供的用于激发等离子体的射频或极高频的电能，从而使施加于邻近负电极的脉冲式功率的脉峰(“开”态)彼此间相互错开，进而排除或减少在邻近等离子体形成区之间的RF电场干扰。
将根据本发明实施例的基于两个带电电极的脉冲功率调制方法应用于在图1所示的批量式PECVD反应箱中，以在等离子体PECVD反应器中生长薄膜。
在图1所示的批量式PECVD反应箱中，置有三个接地的板状正电极7和两个用来产生等离子体的板状负电极(即，功率电极(power-electrode)或带电电极)8A、8B。这些板状正、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相对的两面之间。当外界提供的电力9A、9B分别施加于负电极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PECVD镀膜过程中，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。每个负电极的功率都由一个独立的射频电源及相关的阻抗匹配器来提供。
在根据本发明实施例的基于两个带电电极的周期性脉冲式功率施加过程中，向两个负电极(power-electrode，激发电极)提供的用于激发等离子体的射频或极高频的电功率，即高频电源9A、9B，都被周期性地调制，且具有相同的调制周期及如图2所示的脉冲形式。
图2显示了根据本发明实施例的基于两个带电电极的周期性脉冲式功率施加过程中激发脉波之间的时间关系。
如图2所示，传递高频能量的脉冲的宽度(时间)1不大于半个周期，也就是不大于停滞传递高频能量的脉冲的宽度(时间)2。而调制频率介于300Hz-50kHz之间，最好介于1kHz-10kHz。
最重要的是，根据图2所示的脉冲调制方式，施加于任意负电极的脉冲式功率的脉峰(“开”态)彼此相互错开而并不重叠。即在同一时间内，脉冲调制的高频能量不同时到达两个负电极。图2所示为在功率通道9A和功率通道9B中的功率脉冲的时间错位。通道9A的“开”态1与通道9B的“关”态2相重合，反之亦然。由于在两个负电极的功率脉冲中没有重叠，所以在功率通道9A和9B之间没有RF功率场的干扰。由于负电极8A、8B不在同一时刻被激发，所以避免了射频电场干扰所至的等离子体沉积的不均匀性和不稳定性。
这种避免相邻负电极之间干涉的方法，可以被延伸到第二个邻近的负电极。以图1所示的批量式PECVD反应箱中，置有四个接地的板状正电极7和三个用来产生等离子体的板状负电极(即，功率电极(power-electrode)或带电电极)8A、8B和8C为例，如果负电极8A、8B和8C中的任何两个不在同一时刻被激发，则它们之间的干涉就不存在。为了做到这一点，向三个负电极(power-electrode，激发电极)提供的用于激发等离子体的射频或极高频的电功率，即高频电源9A、9B和9C，都被周期性地调制，且具有相同的调制周期及如图3所示的脉冲形式。
图3显示了根据本发明实施例的基于三个带电电极的周期性脉冲式功率施加过程中激发脉波之间的时间关系。
如图3所示，每个供应电源9A、9B和9C的脉冲宽度必须小于调制周期的1/3(在图3中，周期为时间1加上时间2)。而调制频率介于450Hz-75kHz之间，最好介于1.5kHz-15kHz。
在图3中可见，每个功率通道的脉冲都相对于其他通道的脉冲而适度移动。图3所示为在功率通道9A、9B和9C中的功率脉冲的时间错位。通道9A的“开”态1与通道9B、9C的“关”态2相重合，通道9B的“开”态1与通道9A、9C的“关”态2相重合，通道9C的“开”态1与通道9A、9B并的“关”态2相重合。因而在任何瞬间，3个相邻的功率通道中最多只有一个是处于“开”态。
根据图3所示的脉冲调制方式，施加于任一负电极的脉冲式功率的脉峰 (“开”态)彼此相互错开而并不重叠。即在同一时间内，3个相邻的功率通道中最多只有一个是处于“开”态，脉冲调制的高频能量只能到达3个相邻的功率通道中脉冲调制处于“开”态的那个功率通道的负电极，而不同时到达任意两个的负电极。
根据图3所示的脉冲调制方式，由于在任一负电极的功率调制脉冲中没有“开”态的重叠，所以在通道9A、9B和9C中任意二者之间没有RF功率场的干扰。由于负电极8A、8B、8C中任意两个均不在同一时刻被激发，所以避免了射频电场干扰所至的等离子体沉积的不均匀性和不稳定性。
与以上的描述相同，对于图1所示的批量式PECVD反应箱中，置有N+1(N＝2，3，4，......)个接地的板状正电极和N个用来产生等离子体的板状负电极的情况，可以使用相同的脉冲功率调制传输方式(相同的调制周期T和脉冲宽度)。只要脉冲宽度不大于T/N(T为调制周期)，则施加于任何负电极的脉冲都可以相对于其相邻负电极的脉冲而时间移动T/N，使得在任何一个瞬间，最多只有一个负电极是处于激发状态(“开”态)。由于没有重叠的等离子体的激发，所以N个负电极任意二者之间的干扰就不会发生。其中调制频率介于(150*N)Hz-(25*N)kHz之间，最好介于(0.5*N)kHz-(5*N)kHz。
对于上述N个负电极的情况，如果N的数量较大，则被脉冲调制的电源数量也较大，而且在应用根据本发明前述的脉冲功率调制方法时，因为多个负电极是相续而不同时地被施加激发功率，所以会降低每一个电源的实际工作时间，亦即降低每一个负电极的所相应的基板上薄膜沉积的速率。这是不实用的。
因此，对于数量较大的N个负电极的情况，可以将N个负电极以i个负电极为单位按照排列的顺序依次分组为n个组，即第1、2.....i负电极为第一组，第i+1、i+2.....2i负电极为第二组......第n*i-i+1、n*i-i+2.....N负电极为第n组，其中N＝n*i。这样，图1所示的批量式PECVD反应箱中正、负电极的排列顺序为：正电极、第11负电极、正电极、第12负电极、正电极，......第1i负电极、正电极、第21负电极、正电极、第22负电极、正电极、......正电极、第n1负电极、正电极、第n2负电极、正电极、......正电极、第ni 负电极。其中第xy负电极表示第x组第y个负电极，x＝1，2，.....n，y＝1，2，......i。
对于每一组所包含的i个负电极应用根据本发明前述的脉冲功率调制方 法，其中调制脉冲的频率相同。
对于分组的所有负电极而言，施加于任意相邻i个负电极的脉冲式功率的脉峰(“开”态)彼此相互错开而不重叠。即在同一时间内，任意相邻的i个负电极中最多只有一个是处于“开”态，脉冲调制的高频能量只能到达任意相邻的i个相邻的功率通道中脉冲调制处于“开”态的那个功率通道的负电极。
由于在任意相邻的i个负电极中的任一负电极的功率调制脉冲中没有“开”态的重叠，所以在所有N个通道中，在一定范围内邻近的负电极以及任意相邻的负电极不在同一时刻被激发，所以减少了射频电场干扰，进而降低了射频电场干扰所至的等离子体沉积的不均匀性和不稳定性。
在具体实践中，对N和i的确定，本领域技术人员可根据设计要求来折衷地确定，以使射频电场干扰所至的等离子体沉积的不均匀性和不稳定性降到最低。
图4显示了根据本发明实施例的基于分组的多个带电电极的周期性脉冲式功率施加过程中激发脉波之间的时间关系。其中N＝4，i＝2。
在图2-4中，调制脉冲的“开”态对应于高电平，“关”态对应于低电平，但是本发明不限于此，也可以“开”态对应于低电平，“关”态对应于高电平。
在本发明中，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、稳定性和重复性。
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 (14)
1.一种在等离子体反应箱内部使用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i+1个板状的接地的正电极和i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：
分别向i个负电极提供用于激发等离子体的i个高频电能，所述i个高频电能分别被进行脉冲调制，使得在调制脉冲的“开”态，向负电极提供高频电能，在调制脉冲的“关”态，不向负电极提供高频电能，
其中，调制脉冲宽度不大于T/i，并且施加于向任何负电极提供的高频电能的调制脉冲都相对于施加于向其相邻负电极提供的高频电能的调制脉冲而时间移动T/i，使得在任何一个瞬间，最多只有一个负电极被提供高频电能而处于激发状态，其中，T为调制周期，i为大于1的自然数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在该等离子体反应箱内部，依排列序包含n组负电极，每组负电极有i个负电极，其中对于向每组负电极提供的用于激发等离子体的i个高频电能进行同样的脉冲调制，n为大于1的自然数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调制脉冲的频率在0.5*i kHz-5*i kHz之间。
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1-5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。
7.如权利要求1-6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。
8.一种使用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i+1个板状的接地的正电极和i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：
分别向i个负电极提供用于激发等离子体的i个高频电能，所述i个高频电能分别被进行脉冲调制，使得在调制脉冲的“开”态，向负电极提供高频电能，在调制脉冲的“关”态，不向负电极提供高频电能，
其中，调制脉冲宽度不大于T/i，并且施加于向任何负电极提供的高频电能的调制脉冲都相对于施加于向其相邻负电极提供的高频电能的调制脉冲而时间移动T/i，使得在任何一个瞬间，最多只有一个负电极被提供高频电能而处于激发状态，其中，T为调制周期，i为大于1的自然数。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：在该等离子体反应箱内部，依排列序包含n组负电极，每组负电极有i个负电极，其中对于向每组负电极提供的用于激发等离子体的i个高频电能进行同样的脉冲调制，n为大于1的自然数。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，调制脉冲的频率在0.5*ikHz-5*i kHz之间。
11.如权利要求8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。
12.如权利要求8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。
13.如权利要求8-12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。
14.如权利要求8-12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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2008
- 2008-04-09 CN CN2008100911875A patent/CN101555593B/zh not_active Expired - Fee Related
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