CN103060778B - 平板式pecvd装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种平板式PECVD装置，包括：用于容置工件的真空腔体和设于真空腔体上方的等离子发射器，等离子发射器包括与真空腔体固定的发射盒、设于发射盒上方的射频阻抗匹配器，发射盒的下方联接有介质窗，发射盒的上方固定设有与射频阻抗匹配器联接的天线体，天线体包括置于发射盒内的天线及用于联接天线与射频阻抗匹配器的连接端头；射频阻抗匹配器外接有射频电源；真空腔体上固设有工艺气体进气管，真空腔体上方设有与发射盒对应的安装槽。本发明具有稳定、安全、能量适中的射频电源，使等离子体受控的铜天线，独特的工艺气体进气方式，能够沉积出具有均匀、致密、无污染等优良性能的氮化硅薄膜之类的工件。
Description
技术领域
本发明涉及机械领域，尤其涉及一种平板式PECVD装置。
背景技术
现有技术中，为提高硅太阳电池的效率，首先，需要对硅材料中含有的具有电活性的杂质和缺陷进行钝化，以降低表面缺陷对于少数载流子的复合作用；其次，需要减少太阳电池正表面的反射，增加电池对太阳光的吸收。
一方面，硅表面存在很多悬挂键，它对N型发射区的非平衡载流子具有很强的吸引力，使得少数载流子发生复合作用，从而减少电流。因此，需要使用一些原子或分子将这些表面的悬挂键饱和。实验发现，含氢的SiNx膜对于硅表面具有很强的钝化作用，可以减少硅材料表面不饱和的悬挂键，降低表面能级。
另一方面，硅的折射率为3.8，如果直接将光滑的硅表面放置在折射率为1.0的空气中，其对光的反射率可达到30%左右。人们使用表面的织构化可以降低一部分反射，但是还是很难大范围的降低反射率，尤其是对于多晶硅，使用各向同性的酸腐蚀液对其腐蚀，如果用量过多，反而影响到PN结的漏电流，因此表面织构化对反射降低的效果不明显。因此，考虑到可以在硅表面与空气之间插一层折射率适中的透光介质膜，以降低表面的反射，在工业化应用中，SiNx膜由于其折射率随着x值的不同，可以从1.9变到2.3左右，比较适合用于在折射率为3.8的硅和1.0的空气中间对可见光进行减反射，因而被选择作为硅表面的减反射膜，而且它还是一种较为优良的减反射膜。
如上所述，在硅的表面制备SiNx膜起到两个作用，一是表面钝化作用；二是减少表面对可见光的反射。近年来，主要有PECVD技术被用来制备SiNx膜，它是利用低温等离子体作为能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。PECVD技术具有低温、高效率成本比等优点，并能一次性完成钝化和减反射膜沉积，有效降低硅材料表面复合速度和反射率，最终提高电池的 效率。
而评价PECVD技术的主要标准为能否实现高效率高质量的氮化硅膜沉积，因此，人们围绕如何实现这一标准展开了广泛的研究。
现有PECVD技术中主要有平板式和管式，目前的平板式PECVD有直接法和微波间接法两种。如图1、2所示，为现有两种平板式PECVD装置的结构示意图。
首先参考图1，直接法平板式PECVD装置包括样品支架1，沉积腔室2，平板电极3，其工作过程是将多片电池片放置在一个石墨或碳纤维支架1上，放入金属的沉积腔室2中，腔室中有平板型的电极3，电极3与样品支架1形成一个放电回路，腔室中的工艺气体4在两个极板之间的交流电场的作用下在空间形成等离子体5，分解SiH4中的Si和H，以及NH3中的N和H形成含氢的SiNx沉积到样品6表面，其中，出口7连接真空抽气筒，使整个过程中腔室内保持真空状态。
其次，微波间接法是将待沉积的样品放置在等离子区域之外，等离子体不直接打到样品表面，样品或其支撑体也不是电极的一部分，参考图2，微波间接法的结构主要包括频率为2.45GHz微波源8、铜天线9、石英管10、磁极11、载板12以及真空腔体2。铜天线9置于石英管10内部，微波源8置于铜天线9两端，样品区域之外。工艺气体硅烷（SiH4）和氨气（NH3）分别从腔体的上方吹进，在石英管周围先将氨气离化生成等离子体5，再轰击硅烷气，产生SiNx分子，在磁场的引导下沉积到样品6表面。
上述两种现有PECVD技术，虽然可以实现沉积SiNx薄膜沉积技术，但是存在诸多缺点，具体如下：
1、直接平板式PECVD装置的金属电极在长时间高温环境工作后，电极板会发生变形，从而两极板之间的距离会发生改变，因此会导致沉积膜层不均匀；
2、直接平板式PECVD装置的电极处于样品的正上方，直接接触等离子体，等离子体容易附着在电极表面，长时间使用后会发生粉尘聚集并且掉落污染样品，若电池片表面存在杂质，会降低电池转换效率甚至使其报废；
3、直接平板式PECVD装置一般采用中低频（40～460KHz）电源，虽 然膜质较致密，但由于离子能量过高往往造成基体的表面损伤过大；
4、微波间接式PECVD装置的微波源频率为2.45GHz，其微波作用产生的等离子体能量低，影响成膜质量；
5、微波间接式PECVD装置中，为保护微波发射天线免受等离子体侵蚀，使用石英管在其外部进行保护，但石英管长期暴露于等离子体环境下，表面会附着大量粉尘，为不影响其功能，需要频繁更换石英管，不但提高了客户的维护成本而且缩短了维修间隔时间；
6、微波间接式PECVD装置中等离子体不是形成于样品上方，而是通过外加磁场和气流将等离子体导向到工件上方后沉积到样品表面上的，这种方式形成的膜层疏松，质量较差。
发明内容
本发明实施例的目的在于为克服现有技术的缺陷，而提供一种平板式的PECVD装置，特别适合于电池片薄膜等产品的氮化硅、氧化硅之类的表面沉积。
为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
一种平板式PECVD装置，包括用于容置工件的真空腔体和设于真空腔体上方的等离子发射器，所述的等离子发射器包括与真空腔体固定的发射盒、设于发射盒上方的射频阻抗匹配器，所述发射盒的下方联接有介质窗，发射盒的上方固定设有与射频阻抗匹配器联接的天线体，所述的天线体包括置于发射盒内的天线及用于联接天线与射频阻抗匹配器的连接端头；所述的射频阻抗匹配器外接有射频电源；所述的真空腔体上固设有工艺气体进气管，所述的真空腔体上方设有与发射盒对应的安装槽。
其进一步技术方案为：还包括用于承放工件的工件架，所述的真空腔体为长方体形状；所述真空腔体的两个相对的端面分别设有工件架的进口槽、出口槽；真空腔体的一侧面设有真空阀。
其进一步技术方案为：所述的真空腔体内设有用于支撑工件架的支撑滚轮。
其进一步技术方案为：所述的工艺气体进气管位于介质窗的下方；所述的介质窗为石英介质窗；所述天线包括二根，为蝶形铜天线。
其进一步技术方案为：还包括用于容置射频阻抗匹配器的安装盒；所述的连接端头为瓷通端头，所述射频电源的频率为1～300MHZ。
其进一步技术方案为：所述的支撑滚轮为固设于真空腔体侧壁上的密封传动轮；两个对应的侧壁均设有2～6个；所述密封传动轮的一端伸出于真空腔体的外侧，并与传动机构传动联接。
其进一步技术方案为：所述的进口槽、出口槽的外侧均设有密封挡板，所述的工艺气体进气管为联接有一根进气分支管的框形气管，所述框形气管的外侧均匀地设有若干个出气方向平行于石英介质窗下端面的出气孔。
其进一步技术方案为：所述的真空腔体于工件架的进口侧、出口侧均设有用于密封联接的联接孔；所述的真空腔体为二个以上。
其进一步技术方案为：所述的真空阀设有真空阀电机，所述的工艺气体进气管的进气端还设有进气阀；还包括与射频电源、真空阀电机、进气阀、传动机构电联接的控制器。
其进一步技术方案为：所述的等离子发射器、射频阻抗匹配器均为二个，所述的安装槽也为二个。
从上述技术方案中可以看出，本发明实施例与现有技术相比的有益效果是：
本发明实施例采用的是射频频率为1～300MHZ的射频电源，减少对人体的危害。同时，由于等离子体的能量主要由功率源的频率决定，频率越低等离子体的轰击能量越高。相对于微波源（GHz），该射频频率（MHz）产生的等离子体具有更高的能量，从而沉积的氮化硅薄膜等产品更加致密；而直接式PECVD一般采用中低频（40～460KHz）电源，虽然膜质较致密，但由于离子能量过高往往造成基体的表面损伤过大。
因此，本发明采用大功率的射频电源，并结合自动的匹配网络，使得能量传输效率大大提高，射频功率高效率地传递到等离子体。本发明的铜天线具有独特的蝶形形状，在天线设计时注重定向发射功能，等离子体的方向完全受天线的控制，无需外加磁场。因此本发明有效产生大面积、高密度和均匀的等离子体。本发明采用的石英介质窗将等离子体与天线相互隔离，使天线不会接触到等离子体而受到侵蚀，也不必采用需要频繁更换的石英管对天 线进行保护，免去诸多维护成本。本发明采用独特的工艺气体进气方式，反应气体从电介质窗（即石英介质窗）的下部侧面直吹入石英介质窗的底部，使得电介质窗附近的等离子体浓度大大降低，减少等离子体对石英介质窗的附着，因此不易发生长时间的运转后等离子体聚集并掉落到样品表面的情况，增加了电池片（即工件）的洁净度。同时设计时注意进气口的均匀分布，消除气体分布盲点，使在基体反应平面内气体较均匀。本发明还可以通过控制器与送料机构（工件架自动上料）、收料机构（工件架自动收料）等装置实现联动操作，成为一条自动化的生产线。总之本发明具有稳定、安全、能量适中的射频电源，使等离子体受控的铜天线，独特的工艺气体进气方式，能够沉积出具有均匀、致密、无污染等优良性能的氮化硅薄膜之类的工件。
附图说明
图1是现有技术中的直接法平板式PECVD装置的结构示意图；
图2是现有技术中的间接法平板式PECVD装置的结构示意图；
图3是本发明实施例中平板式PECVD装置具体实施例的立体图（图中的真空腔体的一个端面未封闭，用于与另外一个相邻的真空腔体联接，形成二个真空腔体四个发射器的实施例）；
图4是本发明实施例中平板式PECVD装置第一实施例的立体分解图；
图5A是本发明实施例中平板式PECVD装置第一实施例的另一个立体分解图；
图5B是本发明实施例中平板式PECVD装置第一实施例中的工艺气体进气管的立体图；
图5C是本发明实施例中平板式PECVD装置第一实施例中的天线立体图；
图6是本发明实施例中平板式PECVD装置第一实施例的主视图；
图7是本发明实施例中平板式PECVD装置第一实施例的俯视图；
图8是本发明实施例中平板式PECVD装置第二实施例正面结构示意图；
图9是本发明实施例中平板式PECVD装置第三实施例正面结构示意图；
图10是本发明实施例中平板式PECVD装置第一实施例的控制部分方框原理图。
图3至图10中的附图标记说明：
真空腔体1，安装槽10，进口槽11A，出口槽11B，真空阀12，真空阀电机121，支撑滚轮13，传动机构131，联接孔14，顶盖15，密封圈16，密封圈17，等离子发射器2，发射盒21，联接体211，射频阻抗匹配器22，天线体23，天线231，连接端头232，介质窗3，密封圈31，工艺气体进气管4，进气分支管41，框形气管42，进气阀43，气管夹头44，工件架5，工件51，控制器8，射频电源81。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。
如图3至图7所示，为本发明一种平板式PECVD装置的第一实施例（采用单个真空腔体的结构），它包括用于容置工件（即需要进行PECVD沉积的对象物体，在本实施例中指的是用于太阳能电池表面的薄膜）的真空腔体1和设于真空腔体1上方的等离子发射器2，等离子发射器2包括与真空腔体1固定的发射盒21、设于发射盒21上方的射频阻抗匹配器22，发射盒21的下方联接有介质窗3（也可以称为电介质窗），介质窗3的上侧采用了密封圈31进行密封联接。为了便于介质窗3的安装与固定，在发射盒21的下方增设有一个联接体211（联接体211与顶盖15之间设有密封圈16）。发射盒21的上方固定设有与射频阻抗匹配器22联接的天线体23，天线体23包括置于发射盒21内的天线231及用于联接天线231与射频阻抗匹配器22的连接端头232；射频阻抗匹配器22外接有射频电源（为一个独立的外购设备）；真空腔体1上固设有工艺气体进气管4，真空腔体1上方设有与发射盒21对应的安装槽10，真空腔体1采用的是分体式结构，其顶部为分体式的顶盖15（通过密封圈17密封联接），安装槽10设于顶盖15上。还包括用于承放工件51的工件架5，真空腔体1为长方体形状；真空腔体1的两个相对的端面分别设有用于工件架5的推入与取出的进口槽11A、出口槽11B；真空腔体1的一侧面设有真空阀12。真空腔体1内设有用于支撑工件架5的支撑滚轮13。工艺气体进气管4位于介质窗3的下方；介质窗3为石英介质窗；天线231包括二根，为蝶形铜天线。还包括用于容置射频阻抗匹配器22的安装盒（图中未单独示 出）；连接端头232为瓷通端头，射频电源的频率为1～300MHZ。支撑滚轮13为固设于真空腔体1侧壁上的密封传动轮；两个对应的侧壁均设有2～6个；密封传动轮的一端伸出于真空腔体1的外侧，并与传动机构131传动联接，在本实施例中的支撑滚轮13采用的是带有传动电机或气动马达的一体式结构。
进口槽11A、出口槽11B的外侧均设有密封挡板（图中未示出，可以通过联动机构实现密封挡板的自动开启与关闭），工艺气体进气管4为联接有一根进气分支管41的框形气管42，框形气管42的外侧均匀地设有若干个出气方向（如图5B中的箭头方向）平行于石英介质窗下端面的出气孔。工艺气体进气管4是通过气管夹头44固定于真空腔体1。真空腔体1于工件架5的进口侧、出口侧均设有用于密封联接的联接孔14；这样可以将多个真空腔体连接在一起。
在上述结构中，天线（铜天线）的结构设计注重定向发射功能，能够有效控制等离子体的方向和范围，无需外加磁场，减少工艺环节；石英介质窗起到保护铜天线不受等离子体侵蚀的作用；工艺气体进气管具有独特的出气方式，反应气体从电介质窗的下部侧面吹入石英介质窗的底部使气体吹入介质窗底部，不但减少了等离子体与介质窗的接触，而且能够使真空腔内的气体均匀分布，能够保证沉积膜洁净、均匀。
本发明的工作过程为：首先真空阀将真空腔体抽成真空状态后，关闭真空阀，保持真空下由工艺气体进气管送入工艺气体；工艺气体流量稳定后开启射频电源，射频波由铜天线发射后经石英介质窗传导至真空腔体内之后激发工艺气体成等离子体，等离子体会在天线的控制下均匀的沉积在工作（电池片）的表面。
作为更具体的技术内容，其中的真空阀12设有真空阀电机121，工艺气体进气管4的进气端还设有进气阀43；还包括与射频电源81、真空阀电机121（该电机用于控制真空阀的开启与闭合）、进气阀43、传动机构131（即传动电机或气动马达）电联接的控制器8（如图10所示）。还可以通过控制器与送料机构（工件架自动上料）、收料机构（工件架自动收料）等装置实现联动操作，构成为一条自动化的PECVD生产线。
本实施例中也可以在一个真空腔体只用一个等离子体发射器。
第二实施例
如图8所示，本发明平板式PECVD装置在实际应用可以将两个或两个以上的真空腔体连接在一起（真空腔体的结构如图3所示），来实现多层物质膜的沉积，用于实验性研究或其他工业生产。
第三实施例
本发明平板式PECVD装置在实际应用中，可将等离子发射器安装于真空腔体的下方来实现薄膜的沉积，如图9所示。
第四实施例
本发明平板式PECVD装置在实际应用中，尤其是实验室研究中，在改变工艺气体种类的情况下，还可以用来沉积包含其他物质的薄膜。
综上所述，本发明采用的是射频频率为1～300MHZ的射频电源（实施例中用的是13.56MHz），减少对人体的危害。同时，由于等离子体的能量主要由功率源的频率决定，频率越低等离子体的轰击能量越高。相对于微波源（GHz），该射频频率（MHz）产生的等离子体具有更高的能量，从而沉积的氮化硅薄膜等产品更加致密；而直接式PECVD一般采用中低频（40～460KHz）电源，虽然膜质较致密，但由于离子能量过高往往造成基体的表面损伤过大。因此，本发明采用大功率的射频电源，并结合自动的匹配网络，使得能量传输效率大大提高，射频功率高效率地传递到等离子体。本发明的铜天线具有独特的蝶形形状，在天线设计时注重定向发射功能，等离子体的方向完全受天线的控制，无需外加磁场。因此本发明有效产生大面积、高密度和均匀的等离子体。本发明采用的石英介质窗将等离子体与天线相互隔离，使天线不会接触到等离子体而受到侵蚀，也不必采用需要频繁更换的石英管对天线进行保护，免去诸多维护成本。本发明采用独特的工艺气体进气方式，反应气体从电介质窗（即石英介质窗）的下部侧面直吹入石英介质窗的底部，使得电介质窗附近的等离子体浓度大大降低，减少等离子体对石英介质窗的附着，因此不易发生长时间的运转后等离子体聚集并掉落到样品表面的情况，增加了电池片（即工件）的洁净度。同时设计时注意进气口的均匀分布，消除气体分布盲点，使在基体反应平面内气体较均匀。本发明还可以通过控制 器与送料机构（工件架自动上料）、收料机构（工件架自动收料）等装置实现联动操作，成为一条自动化的生产线。
总之本发明具有稳定、安全、能量适中的射频电源，使等离子体受控的铜天线，独特的工艺气体进气方式，能够沉积出具有均匀、致密、无污染等优良性能的氮化硅薄膜或氧化硅薄膜等工件。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种平板式PECVD装置，包括用于容置工件的真空腔体和设于真空腔体上方的等离子发射器，其特征在于：
所述等离子发射器包括与所述真空腔体固定的发射盒以及设于发射盒上方的射频阻抗匹配器；
所述发射盒的下方联接有介质窗，发射盒的上方固定设有与射频阻抗匹配器联接的天线体；
所述天线体包括置于发射盒内的天线及用于联接天线与射频阻抗匹配器的连接端头；
所述射频阻抗匹配器外接有射频电源；
所述真空腔体上固设有工艺气体进气管，所述真空腔体上方设有与发射盒对应的安装槽；
所述PECVD装置还包括：
用于承放工件的工件架，所述真空腔体为长方体形状；
所述真空腔体的两个相对的端面分别设有工件架的进口槽、出口槽；
真空腔体的一侧面设有真空阀；
所述真空腔体内设有用于支撑工件架的支撑滚轮；
所述工艺气体进气管位于介质窗的下方；
所述介质窗为石英介质窗；
所述天线包括二根蝶形铜天线。
2.根据权利要求1所述的平板式PECVD装置，其特征在于，所述PECVD装置还包括：
用于容置射频阻抗匹配器的安装盒；
所述连接端头为瓷通端头，所述射频电源的频率为1 MHZ至300MHZ。
3.根据权利要求2所述的平板式PECVD装置，其特征在于，所述支撑滚轮为固设于真空腔体侧壁上的密封传动轮；
所述真空腔体两个对应的侧壁均设有2个至6个密封传动轮；
所述密封传动轮的一端伸出于真空腔体的外侧，并与传动机构传动联接。
4.根据权利要求2所述的平板式PECVD装置，其特征在于，所述进口槽、出口槽的外侧均设有密封挡板；
所述工艺气体进气管为联接有一根进气分支管的框形气管；
所述框形气管的外侧均匀地设有若干个出气方向平行于石英介质窗下端面的出气孔。
5.根据权利要求2所述的平板式PECVD装置，其特征在于，所述真空腔体于工件架的进口侧、出口侧均设有用于密封联接的联接孔；
所述真空腔体为二个以上。
6.根据权利要求2所述的平板式PECVD装置，其特征在于，所述真空阀设有真空阀电机；
所述工艺气体进气管的进气端还设有进气阀；
所述PECVD装置还包括与射频电源、真空阀电机、进气阀、传动机构电联接的控制器。
7.根据权利要求3至6任一项所述的平板式PECVD装置，其特征在于，所述等离子发射器、射频阻抗匹配器均为二个，所述安装槽也为二个。
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