CN102021537A

CN102021537A - 薄膜沉积设备

Info

Publication number: CN102021537A
Application number: CN 201010197749
Authority: CN
Inventors: 单洪青; 张迎春; 李沅民
Original assignee: FUJIAN GOLDEN SUN SOLAR TECHNIC Co Ltd
Current assignee: Beijing Jingcheng Boyang Optoelectronic Equipment Co.,Ltd.; Fujian Golden Sun Solar Technic Co., Ltd.
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明公开了一种薄膜沉积设备，包括真空箱体和位于所述箱体内部的工件架，所述工件架包括复数个等距间隔交替放置的激励电极板和接地电极板，所述工件架的电极板的两端分别具有布气盒，反应气体分别从所述两端的布气盒进入激励电极板和接地电极板之间的反应空间。本发明的薄膜沉积设备能够显著提高大型PECVD设备所沉积的合金薄膜的均匀性。

Description

薄膜沉积设备

技术领域

本发明涉及薄膜沉积技术领域，特别涉及一种沉积硅基薄膜和硅基合金薄膜的薄膜沉积设备。

背景技术

随着能源的日益短缺人们对太阳能的开发和利用日趋重视。市场对更大面积、更轻更薄且生产成本更低的新型太阳能电池的需求日益增加。新型太阳能电池中的基于硅材料的合金薄膜太阳能电池(以下简称薄膜太阳能电池)、特别是大面积薄膜太阳能电池的开发已受到世界范围的广泛关注。薄膜太阳能电池用硅量极少，便于大规模集成制造，更容易降低成本。在可再生能源必须与传统化石能源竞争的情况下，薄膜太阳电池已成为太阳能电池应用的趋势。

薄膜太阳能电池是多层器件，典型的薄膜太阳能电池通常包括玻璃基板、透明导电前电极、p-i-n叠层结构，以及背电极和背保护板等。其中p-i-n叠层结构的p层为p型掺杂的薄膜硅层、i层非掺杂或本征的薄膜硅层、n层为n型掺杂的薄膜硅层。p层和n层在i层两侧之间建立内部电场，收集i层中的由入射光能产生的光致载流子。这个p-i-n叠层组合称为一个光电单元，或一个“结”。单结薄膜太阳能电池含有单一的光电单元，而多结薄膜太阳能电池则含有两个或多个叠加在一起的光电单元。

大面积薄膜太阳能电池的p-i-n叠层结构的各层是利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在大型PECVD沉积设备中沉积而成的。优选的沉积设备是例如专利号为200820008274.5的中国专利中所描述的可在大面积基板上、大批量沉积薄膜的大型PECVD沉积设备。图1为该设备简化结构示意图，图2和图3为图1所示设备的工件架的正面和立体简化结构示意图。如图1所示，并参照图2和图3，薄膜沉积设备包括一真空箱体50，其内部放置工件架101。工件架101的上横梁112和下横梁111之间具有等距、相互平行、间隔交替排列的激励电极板104和接地电极板106。(为简便起见，图1中未示出上横梁)。激励电极板104和接地电极板106的数量可以根据生产要求而定。激励电极板104和接地电极板106的两侧表面均为平坦表面，可放置需要沉积薄膜的基板121(如玻璃基板)。薄膜沉积设备的箱体50具有进气口51和排气口52。工件架101顶部具有喷淋板110，其上均匀密布通气孔115，喷淋板110上方为布气盒70。在薄膜沉积的过程中，反应气体由进气口51进入布气盒70，通过喷淋板110上的众多的通气孔115后均匀地进入激励电极板104和接地电极板106之间的反应空间，也就是基板121之间的反应空间，沿箭头所指方向自上而下流动，激励电源向激励电极板104提供射频能量，将反应气体电离为等离子体在基板表面沉积薄膜，剩余的反应气体从工件架101底部的下横梁111间的电极板下方的空间(见图3所示)流出，沿箭头方向由排气口52排出。该设备不同于大多数厂家使用的带喷淋电极的、且一个电极只对应一个镀膜表面的多室沉积设备，该设备能够同时对很多片大面积基板(例如玻璃基板)进行镀膜，因此生产效率极高。

由于薄膜沉积设备的真空箱体50和工件架101的整体体积较大，反应气体在反应空间中流动时，进入到反应空间上部的反应气体首先被电离，然后剩余的反应气体再流到反应空间的下部被电离。当使用混合气体沉积合金薄膜时，例如用硅烷和锗烷沉积多结电池的第二结电池的非晶硅锗i层时，由于锗烷的分解速率要高于硅烷，而现有的沉积工艺大多是利用连续输出的射频功率电离反应气体，在连续功率激发的情况下锗烷在进入反应空间后会先于硅烷分解，随着气体的流动，锗烷逐渐减少，而硅烷的消耗相对稳定，从而使整片基板上明显呈现薄膜从上到下锗含量的递减，厚度和带隙(成分)都呈现出从上到下递减的非均匀性，特别是制造硅锗合金大面积光伏电池板时问题更为严重。原则上讲，加大气体流量可以改善上述问题，但由于锗烷气体很昂贵，不利于低成本低污染产业化生产。而且如果流速过快，还会造成沉积薄膜的前期物质上下分布不均匀的问题。

通过降低连续输出的射频功率，以使分解速率较快的气体在上部不被过多地消耗，可以在一定程度上避免上述现象。但是，由于设备的整体体积较大，电极和玻璃基板的面积很大，因制造公差、使用变形等因素，安装的电极板之间不可能做到绝对平行，而且玻璃基板的安装也不可能做到绝对平行，因此电极板两侧的区域并不完全对称，即使是同一块电极板一侧的两片玻璃之间的间距也不均匀。这种不对称性和不均匀性会导致各个放电区域内功率分布不平衡、不均匀。随着连续射频输出功率的降低这种现象会变得更严重，当连续射频输出功率低到一定值时，甚至会出现电极板的一边起辉而另一边不起辉的现象，严重影响批量基板薄膜沉积的一致性和均匀性。为了避免这种现象出现，申请号为201010181234.2的中国专利申请中还采取了以脉冲输出的方式输出射频功率。以脉冲形式输出射频功率的方式，通过调节占空比，可以在比较低的时间平均功率密度(单位脉冲周期内的输出功率值的时间加权平均值)下，即使电极板两侧的间距不完全对称，也能够维持比较对称、均匀和稳定的起辉。

虽然采取脉冲输出的方式输出射频功率能够在很大程度上解决在这种大型PECVD设备中因反应气体从上至下的流动和电极板两侧空间或单侧空间的非一致性所导致的基板上、下部沉积的薄膜成分和厚度不均匀的问题，但是因薄膜沉积设备自身结构而产生的气体自上而下的流动所带来的气体上下分布不均匀的问题还是没有得到根本的解决。即使采用脉冲输出的方式输出射频功率，也还是会在一定程度上存在基板表面沉积合金薄膜时厚度和成分的非均匀问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种薄膜沉积设备，能够显著提高大型PECVD设备中反应气体分布的均匀性。

本发明的一种薄膜沉积设备，包括真空箱体和位于所述箱体内部的工件架，所述工件架包括复数个等距间隔交替放置的激励电极板和接地电极板，所述工件架的电极板的两端分别具有布气盒，反应气体分别从所述两端的布气盒进入激励电极板和接地电极板之间的反应空间。

可选的，所述工件架的两端具有喷淋板，反应气体进入所述布气盒后经所述喷淋板进入所述反应空间。

可选的，所述喷淋板表面包括众多个通气孔。

可选的，所述两端的布气盒分别具有进气口，分别与进气管路相连。

可选的，所述进气口位于所述布气盒的侧部。

可选的，所述进气管路包括主路和支路，所述支路包括第一支路和第二支路，分别与电极板两端的布气盒相连。

可选的，所述主路、第一支路和第二支路分别安装有阀门，分别控制进入两端布气盒的气体的通断。

可选的，所述箱体具有排气口，反应后的剩余气体从所述电极板两侧流出后经所述排气口排出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的薄膜沉积设备采用双布气盒的方式，在工件架顶部和底部分别设置布气盒，反应气体可以从上下两个布气盒分别进入反应空间内，上面的气体自上而下流动，下面的气体自下而上流动，能够使整个反应空间内的气体分布更加均匀，极大地提高了反应气体在反应空间内分布的均匀性，特别是基板上下部接近边缘区域的气体分布均匀性，从而提高了大面积合金薄膜沉积的均匀性和一致性，同时也增加了设备本身的工艺容忍度，利于降低成本和提高效率。由于采取上下双布气盒的方式，可以根据工艺需要分别设定从上、下布气盒进入反应空间的气体的种类、流量和压力等，提高工艺的灵活性。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为相关的大型PECVD沉积设备简化结构示意图；

图2和图3为图1所示设备的工件架的正面和立体简化结构示意图；

图4为本发明的薄膜沉积设备第一实施例的结构示意图；

图5为本发明薄膜沉积设备的工件架的立体结构示意图；

图6为本发明的薄膜沉积设备第二实施例的结构示意图；

图7为本发明的薄膜沉积设备第三实施例的结构示意图；

图8为本发明的薄膜沉积设备第四实施例的结构示意图。

所述示图是说明性的，而非限制性的，在此不能过度限制本发明的保护范围。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施。在下面的描述中，为了方便起见，主要以纵向排列电极板(包括激励电极板和接地电极板)的方式为例来说明本发明的薄膜沉积装置。但本发明的薄膜沉积装置的电极板的除了纵向排列的方式以外，还包括水平方式排列，甚至是倾斜的方式排列，这些方式均不脱离本发明的思想。本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。

图4为本发明的薄膜沉积设备第一实施例的结构示意图，图5为本发明薄膜沉积设备的工件架的立体结构示意图。如图4所示，并参照图5，本发明的薄膜沉积设备包括真空箱体200和工件架210。工件架210下方安装有轮子(图中未示出)，工件架210可通过轮子推入到所述箱体200内部。工件架210包括复数个平行、等距间隔交替放置的激励电极板104和接地电极板106。激励电极板104和接地电极板106优选为纵向放置。在电极板的两端，也就是工件架210的顶部和底部，分别具有顶布气盒220和底布气盒250。反应气体分别从顶部布气盒220顶部的进气口201，和底部布气盒250底部的进气口203进入(沿箭头方向)顶部布气盒220和底部布气盒250。通过顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240进入激励电极板104和接地电极板106之间(也就是基板之间)的反应空间。顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240均包括众多的通孔115，反应气体经过顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240后沿箭头方向很均匀地流入到反应空间中。剩余的气体沿着与电极板和喷淋板平行的方向(与进气方向垂直)从电极板两端流出，箱体200上具有排气口202和204，剩余气体可以从该排气口排出。

图6为本发明的薄膜沉积设备第二实施例的结构示意图。如图6所示，本实施例的薄膜沉积设备包括真空箱体200和工件架210，工件架210在箱体200内部，其包括复数个纵向(优选)、等距间隔交替放置的激励电极板104和接地电极板106。在工件架210的顶部具有顶布气盒220，底部具有底布气盒250。顶部布气盒220的进气口211和底部布气盒250的进气口213分别位于布气盒的侧部。反应气体沿箭头方向进入顶部布气盒220和底部布气盒250，通过顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240进入激励电极板104和接地电极板106之间的反应空间。顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240亦均包括众多的通孔115，反应气体经过顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240后沿箭头方向很均匀地流入到反应空间中。剩余的气体沿着与电极板和喷淋板平行的方向(与进气方向垂直)从电极板两端流出，箱体200上具有排气口215和217，剩余气体可以从该排气口排出。

图7为本发明的薄膜沉积设备第三实施例的结构示意图。如图7所示，本实施例的薄膜沉积设备包括真空箱体200和工件架210，工件架210包括多个纵向、等距间隔交替放置的激励电极板104和接地电极板106。在工件架210的顶部具有顶布气盒220，底部具有底布气盒250。本实施例中，进气管路包括一个主路300和第一支路310和第二支路320。第一支路310与顶部的布气盒220相连，第二支路320和底部的布气盒250相连。主路300、第一支路310和第二支路320分别安装有阀门，主路300的阀门301用于控制总管路气体的通断，第一支路310的阀门311和第二支路320的阀门321分别控制进入到顶布气盒220和底布气盒250的气体的通断。反应气体沿箭头方向进入顶部布气盒220和底部布气盒250，通过顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240进入激励电极板104和接地电极板106之间的反应空间。顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240亦均包括众多的通孔115，反应气体经过顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240后沿箭头方向很均匀地流入到反应空间中。剩余的气体沿着与电极板和喷淋板平行的方向(与进气方向垂直)从电极板两端流出，箱体200上具有排气口215和217，剩余气体可以从该排气口排出。

图8为本发明的薄膜沉积设备第四实施例的结构示意图，如图8所示，本实施例的薄膜沉积设备包括真空箱体200和工件架210，工件架210包括多个纵向、等距间隔交替放置的激励电极板104和接地电极板106。工件架210具有顶布气盒220和底布气盒250。本实施例中，进气管路的主路300进入箱体200后分成第一支路310和第二支路320。第一支路310与顶部的布气盒220相连，第二支路320和底部的布气盒250相连。主路300安装有阀门，控制气体的通断。反应气体沿箭头方向进入顶部布气盒220和底部布气盒250，通过顶部的喷淋板230和底部的喷淋板240进入激励电极板104和接地电极板106之间的反应空间。剩余的气体沿着与电极板和喷淋板平行的方向(与进气方向垂直)从电极板两端流出，从箱体200上的排气口排出。

需要说明的是，箱体200上的排气口的位置可以根据需要进行设置，既可以在两侧，也可以在前后，数量可以是一个、两个或多个，本发明不做具体限制。

在其他实施例中，每个布气盒的进气方式也可以不同，例如一个布气盒为侧面进气，另一个布气盒为底部进气，等等。进入每个布气盒的气体种类可以相同也可以不同。各个布气盒既可以同时进气也可以交替进气或单独进气。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种薄膜沉积设备，包括真空箱体和位于所述箱体内部的工件架，所述工件架包括复数个等距间隔交替放置的激励电极板和接地电极板，其特征在于：所述工件架的电极板的两端分别具有布气盒，反应气体分别从所述两端的布气盒进入激励电极板和接地电极板之间的反应空间。

2.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述工件架的两端具有喷淋板，反应气体进入所述布气盒后经所述喷淋板进入所述反应空间。

3.根据权利要求2所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述喷淋板表面包括众多个通气孔。

4.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述两端的布气盒分别具有进气口，分别与进气管路相连。

5.根据权利要求4所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述进气口位于所述布气盒的侧部。

6.根据权利要求4所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述进气管路包括主路和支路，所述支路包括第一支路和第二支路，分别与电极板两端的布气盒相连。

7.根据权利要求6所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述主路、第一支路和第二支路分别安装有阀门，分别控制进入两端布气盒的气体的通断。

8.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述箱体具有排气口，反应后的剩余气体从所述电极板两侧流出后经所述排气口排出。