CN101800148A - 可获得均匀电场的大面积vhf-pecvd反应室瓦片式功率电极 - Google Patents

可获得均匀电场的大面积vhf-pecvd反应室瓦片式功率电极 Download PDF

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张晓丹
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Abstract

本发明是一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极,包括功率电极板和功率馈入连接端口,其特征在于所述功率电极板的板面为单面或双面的内凹弧形曲面,弧形曲面轴向与功率馈入连接端口平行;所述功率馈入连接端口为偶数个点,对称设置在功率电极板的端面上。本发明的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极利用与衬底S正对的瓦片状弧形曲面,修正了电极间驻波效应对电场分布均匀性的影响,使电场分布均匀性得到的改善。本发明解决了大面积VHF-PECVD反应室电极间电场分布的均匀性问题,为研发大面积VHF-PECVD薄膜沉积和刻蚀系统奠定了基础,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。

Description

可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极
【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反应室瓦片式形状功率电极。
【背景技术】
近年来,已有报道应用甚高频(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:采用VHF激发等离子体,能够减小等离子体鞘层厚度和鞘层电压,从而降低电子温度、降低轰击衬底的离子能量;能够增大输送到生长表面的离子流量,提高沉积速率;同时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在非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池工业化生产中应用产生很大的兴趣。
在工业上,射频13.56MHz驱动的电容耦合平行板电极PECVD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非均匀性要求较高。在射频平行板电极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。考虑到等离子体的参数和反应室的设计,这些效应在各种激发频率下均有显著的影响,但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,对于传统的电容耦合平板电极反应室,其电场驻波效应严重影响了电极间电场分布的均匀性。在40.68MHz激发频率情况下,平行板电极间的真空电场分布呈中央区域强边缘弱的状态。考虑到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,驻波效应已经显得更加严重。要想得到均匀的等离子体来实现均匀的沉积或刻蚀,需要对反应室,特别是其中的功率电极结构及其功率馈入方式进行合理的设计。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。
目前,VHF技术主要是在实验室的小尺寸PECVD反应室应用,而在工业化生产中的大面积PECVD反应室仅有国外少数几家公司采用,如瑞士欧瑞康(Oerlikon)公司采用40.68MHz激发频率的倒扣碗状弧面电极大面积VHF-PECVD反应室;日本三菱重工(MHI)采用60MHz激发频率的梯形电极大面积VHF-PECVD反应室;日本石川岛播磨重工业公司(IHI)的大面积VHF-PECVD反应室,采用了85MHz激发频率的“U”形电极。这些大面积VHF-PECVD反应室及其功率电极的设计各有特色,也各有缺点。本发明的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极结构区别目前国内外已有的功率电极结构。
【发明内容】
本发明的目的是为解决现有技术的问题,提供一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室功率电极。该电极的形状及功率馈入方式设计,可以解决由电场非均匀分布所引起的等离子体非均匀性的问题,并可以获得实用化的大面积VHF-PECVD反应室,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反应室瓦片式功率电极,包括功率电极板和功率馈入连接端口,其特征在于所述功率电极板的板面为单面或双面的内凹弧形曲面,弧形曲面轴向与功率馈入连接端口平行;所述功率馈入连接端口为偶数个点,对称设置在功率电极板的端面上。
本发明的有益效果是:可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极利用与衬底S正对的瓦片状弧形曲面,修正了电极间驻波效应对电场分布均匀性的影响,使电场分布均匀性得到的改善。本发明解决了大面积VHF-PECVD反应室电极间电场分布的均匀性问题,为研发大面积VHF-PECVD薄膜沉积和刻蚀系统奠定了基础,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单面瓦片式功率电极PECVD反应室结构示意图;
图2两点馈入条形单面瓦片式功率电极结构示意图;
图3四点馈入单面瓦片式功率电极结构示意图;
图440.68MHz激发频率下四点功率馈入瓦片式功率电极曲面深度分布图;
图540.68MHz激发频率下采用四点功率馈入瓦片式功率电极后的真空电场分布图;
图660MHz激发频率下四点功率馈入瓦片式功率电极曲面深度分布图;
图760MHz激发频率下采用四点功率馈入瓦片式功率电极后的真空电场分布图;
图8八点馈入单面瓦片式功率电极结构示意图;
图940.68MHz激发频率下八点功率馈入瓦片式功率电极曲面深度分布图;
图1040.68MHz激发频率下采用八点功率馈入瓦片式功率电极后的真空电场分布图;
图11双面对称瓦片式功率电极PECVD反应室示意图;
图12两点馈入双面对称条形瓦片式功率电极结构示意图。
以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
【具体实施方式】
本发明的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极,由功率电极板和功率馈入连接端口组成,功率电极板的板面可以为单面或双面的内凹弧形曲面,弧形曲面轴向与功率馈入连接端口所在端面平行。其中:所述功率馈入连接端口可以为两点、四点、八点或八点以上;所述功率电极板是实心电极板或是具有小孔的Showerhead形式的电极板;所述功率电极板的正投影(A向)是正方形或长方形;所述功率馈入连接端口的每个端口的相位相等、振幅相等。
采用本发明的大面积瓦片式形状功率电极VHF-PECVD反应室如图1所示。由接地反应室5、接地电极1、衬底S 3、瓦片式功率电极板4、电源功率馈入端口及传输线2等组成。功率馈入端口及功率传输线位于瓦片式功率电极板相对的两个端面,瓦片式功率电极板的弧形曲面与衬底S相对。
本发明根据电源的激发频率以及电极的尺寸,优化设计功率馈入连接端口数量、位置分布和瓦片的弧形曲面形状,通过对功率馈入连接端口在功率电极边缘的位置优化分布,使电场分布在电极宽度方向上实现均匀分布均匀;在电极长度方向上,利用电极间距的变化抑制驻波效应,从而可获得电极间相对均匀的电场分布。
本发明所述瓦片式形状电极,根据电极的宽度,在瓦片式电极板相对边缘设置不同数量的馈入点。如图2、3、8分别给出了两点、四点、八点的功率馈入连接端口方式。理论上电极的宽度不受限制,可以根据应用情况进行合理设计,同时合理设计馈入点的数量。一般在生产中应用的平米级PECVD系统,所用电极形状一般为长方形。对于电极宽度比较小的长方形(条形)电极(图2示),也可以看作是线型电极,在柔性衬底薄膜沉积的卷对卷系统中应用。
本发明所述的瓦片式功率电极的长度和宽度,在电极满足面积一定条件下,电极的长宽尺度可根据反应室结构进行合理设计。
本发明在保证电源激发频率对应的电磁波真空波长四分之一小于电极的长度的条件下,可以在任意激发频率和任意面积大小的PECVD反应室中采用,并可获得相对均匀的电场分布。
本发明所述的瓦片式功率电极,也可以是双面对称瓦片式功率电极,如图11、12所示。对于这种双面瓦片式功率电极,功率馈入端位于电极的对称线上,其电极馈入端的数量设置与单面瓦片式功率电极相同,需根据电极的尺寸进行合理的设计。
本发明的可获得均匀电场的功率电极设计方案,依据基本的电磁场理论知识,利用多点功率馈入和瓦片式形状功率电极,可以达到改善电场分布均匀性的目的。
实施例1
本例的瓦片式功率电极VHF-PECVD反应室结构如图1所示,在电极边缘处的电极间距设为0.02m,其中矩形单面瓦片式电极如图3所示,长度L=1.2m,宽度W=0.6m,厚度T=0.01m,采用边缘对称四点功率馈入。本例针对40.68MHz和60MHz的两个激发频率,对瓦片式功率电极的曲面深度进行了理论计算,其计算结果如图4和图6所示。在40.68MHz激发频率下,瓦片式功率电极的最大曲面深度达到0.48cm(图4);而在60MHz激发频率下,瓦片式功率电极的最大曲面深度达到1.39cm(图6)。因此,采用不同的激发频率,需要对瓦片状曲面深度分布进行不同的设计。此外,图5和图7给出了采用瓦片状功率电极后在两种激发频率下的真空电场分布,从这两种激发频率的计算结果来看,瓦片式功率电极的应用,消除了由驻波效应而引起的电场非均匀分布。
实施例2
本例中矩形瓦片式电极长度L=1.1m,宽度W=1.2m,厚度T=0.01m,采用边缘八点功率馈入,功率馈入点位置如附图8所示。采用本例设计的瓦片式功率电极结构的PECVD反应室,应用40.68MHz的激发频率电源,其瓦片状曲面深度的分布的理论计算结果如图9所示,瓦片式功率电极的最大曲面深度达到0.42cm。从计算结果也可以看出,电极宽度增加,需要同时增加功率馈入点数目。图10也给出了采用瓦片式功率后的电极间真空电场分布,很明显可以看到驻波效应被消除。

Claims (5)

1.一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极,包括功率电极板和功率馈入连接端口,其特征在于所述功率电极板的板面为单面或双面的内凹弧形曲面,弧形曲面轴向与功率馈入连接端口平行;所述功率馈入连接端口为偶数个点,对称设置在功率电极板的端面上。
2.根据权利要求1所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极,其特征在于所述功率馈入连接端口为两点、四点、八点或八点以上。
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反应室瓦片式功率电极,其特征在于所述功率电极板是实心电极板或是具有小孔的Showerhead形式的电极板。
4.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反应室瓦片式功率电极,其特征在于所述功率电极板的正投影是正方形或长方形。
5.根据权利要求2所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室瓦片式功率电极,其特征在于所述功率馈入连接端口的每个端口的相位相等、振幅相等。
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