CN101974738B - 等离子体增强化学气相沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等离子体增强化学气相沉积装置，包括：腔体，包括位于其顶部的进气口；电源，位于腔体外；上电极，位于腔体内进气口下方；下电极，位于腔体底部，与所述上电极相对设置；器件基板，位于所述下电极上，所述器件基板的表面用于沉积太阳能电池的硅薄膜；还包括位于下电极上的绝缘框，所述绝缘框设置于所述器件基板的外围，用以防止电场在所述器件基板边缘的跳变。本发明通过在器件基板上的外围区域形成有绝缘框，所述绝缘框的介电系数接近或等于器件基板的介电系数，提高器件基板外围电场分布的均匀性，进一步提高位于所述器件基板外围的等离子体分布密度的均匀性，进而提高所述器件基板上沉积的薄膜厚度的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学气相沉积装置，尤其涉及一种用于制造薄膜太阳能电池的等离子体增强化学气相沉积装置。
背景技术
薄膜太阳能电池是在玻璃、石英或塑料等基板上沉积很薄(几微米至几十微米)的光电材料形成的一种太阳能电池。薄膜太阳能电池弱光条件下仍可发电，其生产过程能耗低，具备大幅度降低原料和制造成本的潜力，因此，市场对薄膜太阳能电池的需求正逐渐增长，而薄膜太阳能电池技术更是成为近年来的研究热点，在公开号为CN1820358的中国专利申请中就公开了一种薄膜太阳能电池的技术方案。
现有技术中通常采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapour Deposition，PECVD)方法沉积非晶硅薄膜或微晶硅薄膜。参考图1，示出了现有技术PECVD装置一实施例的示意图。所述PECVD装置主要包括：腔体103、上电极101、电源104和下电极102，其中上电极101和下电极102位于腔体103内，所述上电极101与电源104相连，所述下电极102接地，腔体103顶部设置有的进气口117，反应气体通过所述进气口117进入腔体103。
在PECVD沉积非晶硅薄膜或微晶硅薄膜的过程中，将器件基板105置于下电极102上，向应腔室103中通入硅烷及氢气，电源104向上电极101通入射频信号以产生辉光放电，从而在上电极101和下电极102之间形成等离子体，等离子体中的电子与硅烷反应产生活性基，所述活性基扩散至器件基板，吸附于所述器件基板上，形成非晶硅或多晶硅薄膜。
但是现有技术中，在器件基板上沉积形成的薄膜存在着边缘与中心区厚度分布不均匀的问题。
发明内容
本发明提供一种等离子体增强化学气相沉积装置，以解决现有技术中存在的器件基板上沉积形成的薄膜存在着厚度不均匀的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种等离子体增强化学气相沉积装置，包括：
腔体，包括位于其顶部的进气口；
电源，位于腔体外，用于产生激发等离子体射频信号；
上电极，位于腔体内进气口下方；
下电极，位于腔体底部，与所述上电极相对设置；
器件基板，位于所述下电极上，所述器件基板的表面用于沉积太阳能电池的硅薄膜；
其中，还包括位于下电极上的绝缘框，所述绝缘框设置于所述器件基板的外围，用以防止电场在所述器件基板边缘的跳变。
可选的，所述器件基板为玻璃、塑料、石英或陶瓷中的一种或多种。
可选的，所述器件基板为玻璃，所述器件基板的介电系数范围为4～5.5，所述绝缘框的介电系数范围为3.5～6.0。
可选的，所述绝缘框与所述器件基板介电系数相同的为玻璃。
可选的，所述下电极为长方形，长为1.1～1.6米，宽为1.1～1.5米，所述器件基板为长方形，长为1.1～1.4米，宽为1.0～1.3米，所述绝缘框具有内框及比所述内框面积大的外框，所述内框为长方形，所述外框为长方形，所述内框长为1.1～1.4米，宽为1.0～1.3米；所述外框长为1.2～1.7米，宽为1.1～1.6米，所述器件基板置于所述绝缘框的内框内。
可选的，所述器件基板与所述绝缘框无接触部分。
可选的，所述绝缘框的内框与所述器件基板具有空隙，所述空隙的大小为0.1mm～0.5mm。
可选的，所述绝缘框的外框与所述腔体的内侧壁接触。
可选的，所述器件基板置于所述下电极上，所述绝缘框设置于所述器件基板的外围并置于所述下电极上。
可选的，所述器件基板的厚度为3.8～4.5mm，所述绝缘框的厚度为3.8～4.5mm。
可选的，所述绝缘框与所述器件基板厚度平齐。
可选的，所述绝缘框具有长方形内框与外框，所述内框长为1.301米、宽1.101米，所述外框长为1.4米、宽1.2米，所述器件基板位于所述内框内且其形状为长方形，所述器件基板的长为1.3米，宽为1.1米。
与现有技术相比，上述方案具有以下优点：本发明通过在器件基板上的外围区域形成有绝缘框，提高器件基板外围电场分布的均匀性。
进一步的，所述绝缘框采用与所述器件基板介电系数相同的玻璃，充分提高了基板边缘与基板中心的电场的一致性，进一步提高位于所述器件基板外围的等离子体分布密度的均匀性，进而提高所述器件基板上沉积的薄膜厚度的均匀性。
附图说明
图1为现有技术等离子体增强化学气相沉积装置的结构示意图。
图2至图3为现有技术等离子体增强化学气相沉积装置中器件基板上方区域的电场强度分布示意图。
图4为现有技术等离子体增强化学气相沉积装置中器件基板上方区域的等离子体密度分布示意图。
图5和图6为本发明一个实施例的等离子体增强化学气相沉积装置的结构示意图。
图7至图8为本发明一个实施例的等离子体增强化学气相沉积装置中器件基板上方区域的电场强度分布与现有技术等离子体增强化学气相沉积装置中器件基板上方区域的电场强度分布对比示意图。
图9为本发明一个实施例的等离子体增强化学气相沉积装置中器件基板上方区域的等离子体密度分布与现有技术等离子体增强化学气相沉积装置中器件基板上方区域的等离子体密度分布对比示意图。
具体实施方式
通过现有技术的等离子体气相沉积装置，存在器件基板上形成的薄膜厚度不均匀的问题，尤其严重的是器件基板上形成的薄膜厚度存在中心区域与边缘区域分布不均的问题。
对上述问题，发明人进行了一系列实验，以器件基板靠近上电极的区域为器件基板的上方区域，对器件基板上方区域的电场强度及电离的等离子体密度进行测试。其中用于等离子体气相沉积的电源电压为200伏，所述电源产生的等离子体射频信号的频率为40.68MHZ。
所述器件基板为长方形玻璃基板，长1.3米、宽1.1米。具体的电场强度及等离子体密度的测试区域为与所述器件基板距离为0.5～3mm的空间。并分别采用不同的网格进行测试，一个网格代表的是0.5mm的高度，网格1代表距离所述器件基板高度为0.5mm的区域；网格2代表距离所述器件基板高度为1.0mm的区域；网格3代表距离所述器件基板高度为1.5mm的区域；网格4代表距离所述器件基板高度为2.0mm的区域。
进一步地，如图1所示，发明人将器件基板上方区域的电场强度分解为平行所述器件基板的方向(X方向)和垂直所述器件基板的方向(Z方向)。
如图2、图3和图4所示，分别为器件基板上方区域沿平行于器件基板方向(X方向)和垂直所述器件基板的方向(Z方向)的电场强度分布、器件基板上方区域的等离子体密度分布，并分别包括四个不同的网格高度(网格1、网格2、网格3、网格4)。横坐标表示位于不同网格高度区域上的测试点，所述横坐标原点代表的是对应网格高度处的区域中心。本实施例中，所述器件基板为长方形，则所述长方形的对称中心即为所述横坐标的原点，横坐标表示的是所述网格高度区域上的测试点与所述对称中心的距离。其中，与所述对称中心距离为65cm的附近区域位置为器件基板的边缘区域。
对应地，纵坐标表示器件基板上方，不同网格高度所在区域上的不同测试点对应的电场强度分布。
继续参考图2，可以发现不同的网格高度(网格1、网格2、网格3、网格4)的X方向电场强度均存在下述现象：所述器件基板的中心区域的X方向电场强度分布稳定，为均一值；所述器件基板四周边缘处，即横坐标为65cm的附近区域均存在有X方向的电场强度跳变，且一般高于中心区域X方向的电场强度。因为本实施例中，网格1、网格2、网格3及网格4高度处的X方向电场强度近似相等，所以本图中的网格1、网格2、网格3及网格4的电场分布曲线近似重叠在一起。
继续参考图3，可以发现不同的网格高度(网格1、网格2、网格3、网格4)的Z方向电场强度均存在下述现象：所述器件基板中心区域的Z方向电场强度分布稳定，为均一值；所述器件基板四周边缘处，即横坐标为65cm的附近区域均存在有Z方向电场强度的跳变，且一般高于中心区域Z方向的电场强度。
继续参考图4，为位于器件基板上方区域的等离子体密度分布，所述等离子体以CF3 +为例进行说明。可以发现不同的网格高度(网格1、网格2、网格3、网格4)的等离子体密度分布均存在下述现象：所述器件基板上方的中心区域的等离子体强度分布稳定，为均一值；所述器件基板四周边缘处，即横坐标为65cm的附近区域均存在有等离子体密度的跳变，且一般高于中心区域的等离子体密度。
综合上述实验测试数据，发明人发现器件基板上方区域的电场强度具有如下分布：靠近器件基板四周的边缘区域，电场强度发生有跳变；进一步地，跳变的电场强度将会影响反应气体在该处的电离程度，对应关系为：电场强度越高，电离程度越大，电离形成的等离子体密度越高。因为电场强度的跳变大部分为急剧升高，所以靠近器件基板四周的边缘区域的气体电离程度高于位于器件基板中心区域的气体电离程度，进一步地，靠近器件基板四周边缘区域的等离子体密度高于中心区域的等离子体密度。上述原因使得器件基板上的厚度分布不均匀，靠近器件基板四周边缘区域的等离子体沉积厚度高于中心区域的等离子体沉积厚度。
根据上述发现，为解决器件基板上等离子体沉积厚度不均匀的问题，本发明提供一种等离子体增强化学气相沉积装置，包括：
腔体，包括位于其顶部的进气口；
电源，位于腔体外，用于产生激发等离子体射频信号；
上电极，位于腔体内进气口下方；
下电极，位于腔体底部，与所述上电极相对设置；
器件基板，位于所述下电极上，所述器件基板的表面用于沉积太阳能电池的硅薄膜；
其中，还包括位于下电极上的绝缘框，所述绝缘框设置于所述器件基板的外围，用以防止电场在所述器件基板边缘的跳变。
本发明通过在器件基板上的外围区域形成有绝缘框，所述绝缘框的介电系数接近或等于所述器件基板的介电系数，提高器件基板外围电场分布的均匀性，进一步提高位于所述器件基板外围的等离子体分布密度的均匀性，进而提高所述器件基板上沉积的薄膜厚度的均匀性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图5所示，所述等离子体增强化学气相沉积装置包括：腔体203、进气口217、上电极201、电源204、下电极202，器件基板205，所述器件基板205用于沉积薄膜，所述等离子体增强化学气相沉积装置还包括设置于所述器件基板205外围的绝缘框206，具体包括：
电源204，位于所述腔体203外，用于向腔体203内提供等离子体的射频信号。
上电极201、下电极202、器件基板205及绝缘框206均位于所述腔体203内，具体地，腔体203包括位于其顶部的进气口217，所述上电极201、器件基板205及下电极202依次位于所述进气口217的下方；所述绝缘框206设置于所述器件基板205的外围。所述上电极201上设置有射频信号输入点，电源204通过射频信号输入点向上电极201加载射频信号，下电极202与上电极201相对设置。本实施例中，所述下电极202接地，在所述下电极202与所述上电极201之间形成电场，用于电离由进气217口进入的反应气体，形成等离子体环境。
具体地，所述器件基板205的厚度范围为3.8～4.5mm，所述绝缘框206的厚度范围为3.8～4.5mm，最佳地，所述绝缘框206与所述器件基板205厚度齐平，以使得所述器件基板在取放的过程中不会碰撞到所述绝缘框，避免了所述器件基板的损坏，进一步地，还使得所述器件基板的边缘与其中心的环境保持一致，避免电场在所述器件基板的边缘发生大幅度跳变。所述器件基板205为玻璃、塑料、石英或陶瓷中的一种或多种。本实施例中，所述器件基板205为玻璃，所述器件基板205的介电系数范围为4～5.5，所述绝缘框206的介电系数范围为3.5～6.0。较佳地，所述绝缘框206的介电系数范围应该接近或等于所述器件基板205的介电系数范围。以所述绝缘框206的介电系数与所述器件基板205的介电系数相等为最佳。以对器件基板205的周围环境的介电系数均匀化，使得位于器件基板205周围环境的介电系数与所述器件基板205中心区域上方的介电系数尽可能接近或相等。
如图6所示，为所述器件基板205与所述绝缘框206相对位置的俯视图，包括：器件基板205，及设置于所述器件基板205外围的绝缘框206。具体地，本实施例中，所述器件基板205为长方形，长为1.1～1.4米，宽为1.0～1.3米。作为其他实施例，所述器件基板205还可以为其他形状。
继续参考图6，所述绝缘框206具有内框与外框，所述内框为长方形，所述外框为长方形。所述内框长为1.1～1.4米，宽为1.0～1.3米；所述外框长为1.2～1.7米，宽为1.1～1.6米。所述器件基板205置于所述绝缘框206的内框内。所述内框的各边均与所述器件基板205的各边平行，紧靠所述器件基板205的各边，且所述绝缘框206和器件基板205之间没有接触部分，以防止在取放器件基板时对器件基板造成损坏。此外，在器件基板周围设置绝缘框206后，所述器件基板205四周的边缘介质环境与所述器件基板205中心区域的介质环境几乎接近或相同，有效地避免器件基板边缘场的跳变的发生。
作为较佳实施例，所述绝缘框206的内框与所述器件基板205具有空隙300，所述空隙包括器件基板205长与对应绝缘框206内框长的空隙，及器件基板205宽与对应绝缘框206内框宽的空隙。本实施例中，所述空隙300范围为0.1mm～0.5mm。留有所述空隙300可以使得所述器件基板205可以自由放入和取出，使得所述绝缘框206可以重复利用。所述空隙不能过小，过小将导致器件基板205不易于放入和取出；同样的，所述空隙不能过大，过大将导致器件基板205四周边缘的介电系数与位于器件基板205中心区域的介电系数相差过大。
同时结合图5，所述下电极202为长方形，所述下电极202的长为1.1～1.6米，宽为1.1～1.5米。所述器件基板205置于下电极202上，所述绝缘框206设置于所述器件基板205的外围并置于所述下电极202上。
继续参考图5，最佳地，所述绝缘框206的外框与所述腔体203的内壁接触，以使得最大程度的均匀所述器件基板205四周的边缘环境的介电系数。在本发明的某些其他实施方式中，所述绝缘框206的外框可以与腔体203的内侧壁保持有空隙，以方便所述绝缘框206的放入和取出。
作为其他实施例，所述进气口217下方还可以形成有气体扩散板，用于均匀从进气口217进入腔体203的反应气体，实际应用中，为了更好的均匀反应气体，所述气体扩散板可包括多层扩散板，其中最靠近腔体203顶部的扩散板连接于腔体，因此所述气体扩散板为接地状态。此处就不详细叙述。
对于本发明的等离子体增强化学气相沉积装置，发明人进行系列实验，以对本发明的等离子体增强化学气相沉积装置的效果进行检测。
如图7、图8及图9所示，为经过本发明等离子体气相沉积装置的器件基板上方区域的电场强度分布及等离子体密度分布，与现有技术中的等离子体气相沉积装置的器件基板上方区域的电场强度分布及等离子体密度分布的对比示意图。其中，100为现有技术等离子体气相沉积装置实验所得到的数据，200为本发明等离子体气相沉积装置实验所得到的数据。其中，图7为沿平行于器件基板方向(X方向)的电场强度分布；图8为沿垂直于器件基板方向(即Z方向)的电场强度分布；图9为位于器件基板上方区域的等离子体密度分布。
上述实验的测试环境、测试区域划分和横坐标、纵坐标的意义可以参考前述。进一步地，本实施例的实验环境中，所述绝缘框的内框长为1.301米、宽1.101米，绝缘框的外框长为1.4米、宽1.2米，位于所述内框内的器件基板长为1.3米，宽为1.1米。其中用于等离子体气相沉积的电源电压为200伏，所述电源产生的等离子体射频信号的频率为40.68MHZ。所述绝缘框的内框与所述器件基板具有空隙，所述空隙包括器件基板长与对应绝缘框内框长的空隙，及器件基板宽与对应绝缘框内框宽的空隙。本实施例中，所述器件基板的长与绝缘框内框的长的空隙值为0.5mm，所述器件基板的宽与绝缘框内框的宽的空隙值为0.5mm。
从图中现有技术等离子体气相沉积装置和本发明等离子体气相沉积装置中器件基板上方电场强度分布对比可以看出：利用本发明的等离子体气相沉积装置，靠近器件基板的边缘区域，即横坐标为65cm的附近区域的电场强度(包括平行所述器件基板的X方向和垂直所述器件基板的Z方向)没有发生跳变，而因介质环境改变导致的电场强度跳变位于横坐标为70cm的附近区域，即绝缘框上。且所述跳变的区域与器件基板有一定的距离，不会对器件基板的边缘区域的反应气体电离程度及等离子体沉积厚度造成影响。
本实施例中，本发明等离子体气相沉积装置中的网格1、网格2、网格3及网格4高度处的X方向电场强度近似相等，所以本发明的网格1、网格2、网格3及网格4的电场分布曲线重叠在一起。同样的参考前述，现有技术中等离子体气相沉积装置中的网格1、网格2、网格3及网格4高度处的X方向电场强度近似相等，所以现有技术的网格1、网格2、网格3及网格4的电场分布曲线重叠在一起。
继续参考图9，等离子体密度的跳变未发生在器件基板的边缘区域，即横坐标为65cm的附近区域，而是位于横坐标为70cm的附近区域，即绝缘框上。且所述等离子体密度跳变的区域与器件基板有一定距离，不会对器件基板的边缘区域的反应气体电离程度及等离子体沉积厚度造成影响。
综上，本发明通过在器件基板上的外围区域形成有绝缘框，提高器件基板外围电场分布的均匀性。进一步的，所述绝缘框采用与所述器件基板材料相同的玻璃，充分提高了基板边缘与基板中心的电场的一致性，进一步提高位于所述器件基板外围的等离子体分布密度的均匀性，进而提高所述器件基板上沉积的薄膜厚度的均匀性。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种等离子体增强化学气相沉积装置，包括：
腔体，包括位于其顶部的进气口；
电源，位于腔体外，用于产生激发等离子体射频信号；
上电极，位于腔体内进气口下方；
下电极，位于腔体底部，与所述上电极相对设置；
器件基板，位于所述下电极上，所述器件基板的表面用于沉积太阳能电池的硅薄膜；
其特征在于，还包括位于所述下电极上的绝缘框，所述绝缘框设置于所述器件基板的外围，用以防止电场在所述器件基板边缘的跳变，
其中，所述器件基板为玻璃，所述器件基板的介电系数范围为4～5.5，所述绝缘框的介电系数范围为3.5～6.0。
2.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述绝缘框为与所述器件基板介电系数相同的玻璃。
3.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述下电极为长方形，长为1.1～1.6米，宽为1.1～1.5米，所述器件基板为长方形，长为1.1～1.4米，宽为1.0～1.3米，所述绝缘框具有内框及比所述内框面积大的外框，所述内框为长方形，所述外框为长方形，所述内框长为1.1～1.4米，宽为1.0～1.3米；所述外框长为1.2～1.7米，宽为1.1～1.6米，所述器件基板置于所述绝缘框的内框内。
4.如权利要求3所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述器件基板与所述绝缘框无接触部分。
5.如权利要求3所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述绝缘框的内框与所述器件基板具有空隙，所述空隙的大小为0.1mm～0.5mm。
6.如权利要求3所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述绝缘框的外框与所述腔体的内侧壁接触。
7.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述器件基板置于所述下电极上，所述绝缘框设置于所述器件基板的外围并置于所述下电极上。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述器件基板的厚度为3.8～4.5mm，所述绝缘框的厚度为3.8～4.5mm。
9.如权利要求8所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述绝缘框与所述器件基板厚度平齐。
10.如权利要求2所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述绝缘框具有长方形内框与外框，所述内框长为1.301米、宽1.101米，所述外框长为1.4米、宽1.2米，所述器件基板位于所述内框内且其形状为长方形，所述器件基板的长为1.3米，宽为1.1米。
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