CN102061458B

CN102061458B - 基板镀膜设备的气体分布系统及方法

Info

Publication number: CN102061458B
Application number: CN2010105631134A
Authority: CN
Inventors: 胡增鑫; 麦耀华
Original assignee: BAODING TIANWEI SOLARFILMS CO LTD; Baoding Tianwei Group Co Ltd
Current assignee: BAODING TIANWEI SOLARFILMS CO LTD; Baoding Tianwei Group Co Ltd
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: CN102061458A

Abstract

本发明涉及一种基板镀膜设备的气体分布系统及方法，特别是用于CVD真空沉积腔室的具有反应气体隔离板和布气管网的气体分布系统。技术方案是：具有安装于气盒外框（11）内部的隔离板（13），喷淋板（21），外框的腔室上盖板（3），所述隔离板(13)与腔室上盖板（3）形成上层气盒（17），且与喷淋板（21）形成下层气盒（18）。通过气体分布系统将气体均匀分布和混合分解为两个相互不接触的阶段，保证两种以上的反应气体在气体分布系统内部进行均匀分布时不互相接触因而不发生反应。本发明改善气体分布系统的性能，进而提高机台整体性能和气体原材料的利用率，降低维护频率和成本。

Description

基板镀膜设备的气体分布系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基板镀膜设备的气体分布系统及方法，用于大面积基板镀膜设备的气体分布系统，特别是用于CVD真空沉积腔室的具有反应气体隔离板和布气管网的气体分布系统。

背景技术

光伏器件、光电转换器件或者太阳能电池，是能够将光能特别是太阳光转换为电能的半导体器件。薄膜太阳能电池由于可以在廉价基板（如玻璃、不锈钢和塑料薄膜等）上大面积连续制备而广泛应用于大规模生产。该类型太阳能电池的电池结构由一系列沉积在基板上的半导体薄膜材料构成，其中包括作为电池正负电极的TCO（透明导电氧化物：Transparent Conductive Oxide）薄膜。所述TCO薄膜的沉积通常在CVD（化学气相沉积：Chemical Vapor Deposition）系统中完成，特别是MOCVD（金属有机物化学气相沉积：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）系统中完成，例如：通过II族有机金属化合物的DEZ（二乙基锌：Diethyl zinc）气体和H₂O（水蒸气）在加热的基板表面反应生成作为TCO薄膜的ZnO（氧化锌）材料，详见如下反应方程式：Zn(C₂H₅)₂ + H₂O → 2 C₂H₆ + ZnO 。大体上，由于大规模生产对于降低成本的需要，所述薄膜太阳能电池生产所用的基板通常为面积大于1㎡的玻璃。为了保证整个基板区域内沉积的TCO薄膜的均匀性和一致性，所述CVD系统中需要安装气体分布系统以保证在整个反应区域内的气流均匀分布，这种装置即所谓的“喷淋头”（Showerhead）。现有气体分布系统的设计包含一个气盒，不同反应气体按照配比同时进入该空间，均匀混合后再通过带有密布小孔的气体分布板喷出。该设计的最大缺点是气体分布系统由于受到基板加热装置的热辐射而温度升高，即便采用了冷却方法（如：循环水冷），其温度仍然足以使其内部混合的两种或两种以上反应气体发生反应，从而使气体分布系统内部（包括内表面和小孔内部）出现不希望出现的反应产物氧化锌膜层。其最大危害在于，当该膜层达到一定厚度时，将出现脱落现象并伴随着大量的氧化锌粉尘（Dust）和微颗粒（Particle），堵塞部分喷淋头上的小孔使局部气体不能正常喷出影响镀膜的均匀性，甚至随气流喷出附着于基板表面造成产品性能下降甚至报废等严重后果。尽管定期清理气体分布系统的内部覆膜、粉尘和微颗粒可以暂时性的缓解以上问题，但是会提高CVD机台的维护保养频率和时间，降低机台的开机率和产能。同时，气体分布系统的内部构造复杂，拆卸维护需要大量的人力和物力。此外，反应物在气体分布系统的气盒内部即发生反应一定程度上造成昂贵的金属有机物原材料DEZ的浪费。上述问题的出现，主要是由于MOCVD的反应气体在一定温度下相互接触即发生反应引起，通过冷却的方法也不可能从根本上解决这种不希望发生的反应，所以必须对现有的气体分布系统进行重新设计。

发明内容

本发明目的是提供一种基板镀膜设备的气体分布系统及方法，改善气体分布系统的性能，进而提高机台整体性能和气体原材料的利用率，降低维护频率和成本，解决背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：

一种基板镀膜设备的气体分布系统，具有安装于气盒外框内部的隔离板，喷淋板，外框的腔室上盖板，所述隔离板与腔室上盖板形成上层气盒，且与喷淋板形成下层气盒。

所述气体分布系统还具有上层布气管网和下层布气管网，分别安装于上层气盒和下层气盒。

所述的气体分布系统，隔离板上设置隔离板孔阵列，该阵列孔的位置对应于且孔的数量少于喷淋板上的喷淋板孔阵列，并设有贯通微管，贯通微管的一端镶嵌式安装于隔离板孔阵列的每个孔内，另外一端与相应位置的喷淋板的喷淋板孔阵列紧密连接，所述贯通微管阵列贯穿下层气盒，形成上层气盒向反应空间供应气体的独立通道。

所述的气体分布系统，布气管网由一个主管和若干支管组成，主管和支管上布置一系列均匀排布的微孔，所述上层布气管网和下层布气管网的气体入口连接至进气连接元件，两种互相反应的气体分别通过所述进气连接元件进入上层布气管网和下层布气管网的主管，然后分流进入支管，最后由微孔喷出在上层气盒和下层气盒中，实现大面积均匀分布。

一种基板镀膜设备的气体分布方法，通过气体分布系统将气体均匀分布和混合分解为两个相互不接触的阶段，保证两种以上的反应气体在气体分布系统内部进行均匀分布时不互相接触因而不发生反应。

所说的气体分布系统包括一个隔离板（isolation plate）和一个喷淋板（showerhead plate）；其中隔离板上有均布的小孔阵列，隔离板上有均布且大于隔离板小孔数量的小孔阵列，两板之间对应位置的小孔以贯通微管连接；结合由四周侧面板构成的外框，在上方作为背面板的腔室上盖板与中间的隔离板之间形成上层气盒，在隔离板与下方的喷淋板之间形成下层气盒；至少在一个侧面板上存在至少两个反应气体入口，分别与上层气盒和下层气盒连通。

在背面板和隔离板的下表面安装布气管网，通过软管与各自气体入口连接。各面板之间以紧固螺栓连接，喷淋板内部安装冷却水管道回路。

本发明的通过布气管网实现气体在相对较薄的气盒内部实现大面积均匀分布，从而减少了对于气体分布系统以及整个反应腔室空间的需求。

较佳的实施方式，将金属有机化合物（如DEZ）反应气体通过上层气体入口通入上层气盒的布气管网，而将V、VI族氢化物反应气体（如H₂O）通过下层气体入口通入下层气盒的布气管网；两种气体从布气管网中喷出后在各自的气盒内部实现进一步均匀分布，上、下气盒中的气体通过中间的隔离板和贯通微管隔离而不互相混合；上层气体通过贯通微管从与之相连喷淋板的小孔中喷出，下层气体直接从喷淋板的不连接贯通微管的其余小孔中喷出，两种气体在通过不同路径从喷淋板喷出后在基板表面发生混合和反应。

本发明的有益效果：本发明不同于传统的CVD气体分布系统将不同气体的均匀分布和互相混合在同一气盒内同时进行，通过隔离装置将气体均匀分布和混合分解为两个阶段，保证两种以上反应气体在气体分布系统内部进行均匀分布时不互相接触因而不发生反应，通过布气管网实现气体在相对较薄的气盒内部实现大面积均匀分布，从而减少了对于气体分布系统以及整个反应腔室空间的需求；本发明改善气体分布系统的性能，进而提高机台整体性能和气体原材料的利用率，降低维护频率和成本。

附图说明

图1是本发明气体分布系统的CVD系统示意图；

图2是发明的实施例的透视图（倒置）；

图3是本发明实施例的爆炸视图（倒置）；

图4是本发明所述进气连接元件的透视图；

图5是本发明所述布气管网的透视图；

图6是本发明所述布气管网的局部放大图；

图7是本发明所述隔离板的透视图；

图8是本发明所述隔离板的正面视图；

图9是本发明所述隔离板的A-A剖面图；

图10是本发明所述隔离板的剖面局部放大图；

图11是本发明喷淋板和隔离板上的孔阵列的相对位置关系图；

图12是本发明气体分布系统的示意图；

图13是图12的A-A面剖面图；

图14是图12的B-B面剖面图；

图15是图13的局部放大图；

图16是图14的局部放大图；

图中：CVD系统1，腔室壁2，腔室上盖板3，气体入口4，气体分布系统5，基板加热装置6，抽气系统7，基板8，进气连接元件9，排气管道10，外框11，外框气体入口12，隔离板13，进气连接元件气体出口14，进气连接元件气体入口15，O型圈16，上层布气管网19，隔离板13，下层布气管网20，喷淋板21，布气管网22，主管23，支管24，变径管25，微孔26，定位槽27，卡箍28，布气管网气体入口29，软管30，贯通微管32，突台33，喷淋板孔34，隔离板孔阵列35，喷淋板孔阵列36。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

参照全部附图，说明本发明的具体实施例。

一种基板镀膜设备的气体分布系统（5），具有安装于气盒外框（11）内部的隔离板（13），喷淋板（21），外框的腔室上盖板（3），所述隔离板(13)与腔室上盖板（3）形成上层气盒，且与喷淋板（21）形成下层气盒。

所述气体分布系统（5）还具有上层布气管网（19）和下层布气管网（20），分别安装于上层气盒和下层气盒。

所述的气体分布系统（5），隔离板（13）上设置隔离板孔阵列（35），该阵列孔的位置对应于且孔的数量少于喷淋板（21）上的喷淋板孔阵列（36），并设有贯通微管，贯通微管（32）的一端镶嵌式安装于隔离板孔阵列（35）的每个孔内，另外一端与相应位置的喷淋板（21）的喷淋板孔阵列（36）紧密连接，所述贯通微管（32）阵列贯穿下层气盒，形成上层气盒向反应空间供应气体的独立通道。

所述的气体分布系统（5），布气管网由一个主管（23）和若干支管（24）组成，主管和支管上布置一系列均匀排布的微孔（26），所述上层布气管网（19）和下层布气管网（20）的气体入口（29）连接至进气连接元件（9），两种互相反应的气体分别通过所述进气连接元件（9）进入上层布气管网（19）和下层布气管网（20）的主管（23），然后分流进入支管（24），最后由微孔（26）喷出在上层气盒和下层气盒中实现大面积均匀分布。

更具体的描述：

图1示出了一个可以实施本发明方法的一种合适的CVD系统1，该图是CVD系统的垂直剖面视图，该系统设有不锈钢材质的反应腔室壁2和腔室上盖板3。CVD系统包含气体入口4和气体分布系统5，以及基板加热装置6和抽气系统7。基板8放置于加热装置6之上，温度保持在大约150℃--200℃。本发明气体分布系统5可安装于反应腔室上盖板3，与基板8之间存在一定的气体混合反应空间。反应气体由气体入口4通过进气连接元件9，进入气体分布系统1均匀分布后向下喷出，残留气体通过排气管道10由真空泵7抽走。

气体分布系统5的倒置透视图如图2所示。

图3示出气体分布系统的爆炸视图（倒置）。系统的外框11（可由不锈钢制成）通过紧固螺栓与腔室上盖板3之间形成紧密连接。外框的正面板上留有两个外框气体入口12，分别位于隔离板13的上下，且其位置与进气连接元件9的两个进气连接元件气体出口14相对应。

进气连接元件9（可由不锈钢制成）如图4所示，该元件通过紧固螺栓连接于腔室上盖板3，两路进气连接元件气体入口15处通过O型圈16（橡胶）与腔壁上的气体入口4密封连接，其进气连接元件气体出口14通过外框上的外框气体入口12进入上层气盒和下层气盒。外框11内部包含一个由上层布气管网19、隔离板13、下层布气管网20和喷淋板21组成的多层结构，在腔室上盖板3与隔离板13之间形成上层气盒，在隔离板13与喷淋板21之间形成下层气盒。

布气管网22可由不锈钢制成，其透视图由图5、图6示出，包括一个外径约15mm的主管23和若干个（根据喷淋板孔的数目而定）支管24，其作用是将反应气体均匀的输送至气盒内部的各个区域。主管23的气体入口焊接连接一个变径管25，其细端直径与进气连接元件9的进气连接元件气体出口14管径相同。在主管23和支管24上以相同间隔打出若干个（根据喷淋板孔的数目而定）直径约2mm的微孔26，作为气体喷出的通道，其位置与隔离板13和喷淋板21上小孔的位置形成交错分布。主管23和支管24的末端不开口。布气管网22装置由定位槽27和卡箍28固定，通过紧固螺栓安装于腔室上盖板3和位于气体分布系统5中央的隔离板13，即上层布气管网19和下层布气管网20，其布气管网气体入口29分别对应于进气连接元件9的两个进气连接元件气体出口14，两对相同直径的气体管道之间以软管30密封连接，如图12、13、14、15、16所示。隔离板13通过紧固螺栓固定于外框内侧的突台33（螺栓未示出）。

隔离板13上安排若干孔阵列35，每个孔内镶嵌式安装一个贯通微管32（可由不锈钢、陶瓷或聚四氟乙烯制成），其透视图和剖面图如图7、8、9、10所示。隔离板13上的孔阵列35的与喷淋板21上的孔阵列36的相对位置为如图7所示意的交错式分布。贯通微管32的两端分别与隔离板13和喷淋板21紧密对接，上层气体通过贯通微管从喷淋板中对应的小孔（近半数）喷出，而下层气体直接从其他小孔（近半数）中直接喷出，从而保证上层气盒17与下层气盒18中的气体在气体分布系统5内部不发生接触。

喷淋板21上安排若干孔阵列36，孔的数量由基板尺寸决定，以保证在基板尺寸范围内气体能够均匀分布为准。在本实施例中，对于尺寸大约1㎡的基板，喷淋板21上孔的间距约为30mm。喷淋板21上的孔的与隔离板13上的孔的相对位置为如图11所示意的交错式分布。喷淋板21通过紧固螺栓安装于外框11之上，接触面紧密连接。

Claims

1.一种基板镀膜设备的气体分布方法，其特征在于通过气体分布系统将气体均匀分布和混合分解为两个相互不接触的阶段，保证两种以上的反应气体在气体分布系统内部进行均匀分布时不互相接触因而不发生反应；所说的气体分布系统包括一个隔离板和一个喷淋板；其中隔离板上有均布的小孔阵列，喷淋板上有均布且大于隔离板小孔数量的小孔阵列，两板之间对应位置的小孔以贯通微管连接；结合由四周侧面板构成的外框，在上方作为背面板的腔室上盖板与中间的隔离板之间形成上层气盒，在隔离板与下方的喷淋板之间形成下层气盒；在一个侧面板上存在两个反应气体入口，分别与上层气盒和下层气盒连通；在背面板和隔离板的下表面安装布气管网，通过软管与各自气体入口连接；将金属有机化合物反应气体通过上层气体入口通入上层气盒的布气管网，而将V、VI族氢化物反应气体通过下层气体入口通入下层气盒的布气管网；两种气体从布气管网中喷出后在各自的气盒内部实现进一步均匀分布，上、下气盒中的气体通过中间的隔离板和贯通微管隔离而不互相混合；上层气体通过贯通微管从与之相连喷淋板的小孔中喷出，下层气体直接从喷淋板的不连接贯通微管的其余小孔中喷出，两种气体在通过不同路径从喷淋板喷出后在基板表面发生混合和反应。