CN103097575A - 用于真空处理设备的气体分配装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于容纳要在真空处理工艺中处理的基板的真空室，其包括气体入口（7）和气体分配系统（9），所述气体入口（7）连接至用于容纳气体（A、B）的气体源，所述气体分配系统（9）用于将所述气体（A、B）从所述气体入口（7）分配到在朝向所述基板的多个位置处的多个通向所述真空室的出口孔（8），其中，气体分配系统（9）包括第一板（10）和第二板（5），每块板均具有平坦侧面；第一板（10）具有形成出口孔（8）的多个镗孔（4）；第二板（5）具有布置在平坦侧面上的多个通道（6a、6b）；第一板（10）与第二板（5）通过它们的彼此直接接触的平坦侧面安装到一起，使得第一板（10）的每个镗孔（4）布置在第二板（5）的通道（6a、6b）终止的位置，气体（A、B）通过各个通道（6a、6b）分配到镗孔（4）中；以及各个通道（6a、6b）汇合成连接至气体入口（7）的至少一个共同通道（6a、6b），从而形成分支布置。包括气体分配系统（9）的真空室显著改善了基板涂层的同质性，从而在也降低了制造成本的同时，改善了如此制造的基板的质量。

Description

用于真空处理设备的气体分配装置

技术领域

本发明涉及一种用于容纳要在真空处理工艺中处理的基板的真空室，其包括气体入口和气体分配系统，所述气体入口连接至用于容纳气体的气体源，所述气体分配系统用于将气体从气体入口分配到在朝向所述基板的多个位置处的多个通向所述真空室的出口孔。特别地，本发明涉及一种用于均匀地分配前体气体或在低压化学气相沉积反应器中的气体的系统。该气体分配系统可应用于所有化学气相沉积反应器，以改善局部气流均匀性，从而改善涂层同质性。该系统还允许在没有靠近基板表面进行预混合的情况下独立地输送例如反应前体材料，以减少在反应器本身上的寄生沉积。

背景技术

大家在本领域中熟知沉积或涂层处理工艺、特别地薄膜沉积处理工艺。特别地对于大面积涂层的制造，沉积均匀性是重要的标准。如今，在薄膜技术中，以小规模实现的层特性需要延伸至大面积的基板。通常，对小区域上的集成规格越严，则在较大的区域上需要的均匀性越好。典型的示例是集成电路（IC）工业：在IC工业中，多个薄膜层被彼此调节。需要在整个基板区域上维持所述调节，这一情况使得，在整个晶片上的所有相关层的全部关键特性中，良好的均匀性对所述所有相关层十分重要。

类似的示例是薄膜太阳能电池应用。在此，需要将允许高效率的电池特性应用于整个集成模块上。具有“不符合规格”特性的区域将使单独的电池劣化。这样的电池具有较低的效率，会带来较高的串联电阻。结果，电池特性不良的区域降低了整个太阳能模块的总性能。

对于化学气相沉积（CVD）处理工艺，温度均匀性和气体分配同质性是最重要的因素。因此，在能够被泵浦抽气从而使压力比大气压力还低的真空壳体中，低压化学气相沉积（LPCVD）反应器的最相关的部分是：（i）受热基板载台，也称作“热板”，以在基板上通过加热来加速前体材料的化学反应，以及（ii）气体增压室（gas plenum），用于在反应室内分配前体材料。如现有技术的图1所示，所述气体增压室可具有不同的设计，但通常由用以减少气体增压室上的寄生涂层的冷却部分1、用以分配气体的气体喷射单元2和管网3组成。

所述管网3通常具有镗孔4，所述镗孔4容易地分布在管网3的长度上，以便允许定量配给气体和/或前体材料。镗孔4可封闭在腔室中，与实际处理工艺空间分开，以便允许在可出现局部压力峰值的镗孔4位置处容易地均匀分配流入的气体。喷射板或喷射头是诸如气体喷射（shower）单元2的多孔板，所述多孔板上分布着具有诸如镗孔（bores）4的通孔，以允许气体从定量配给室传输至处理工艺空间。

现有技术已知：利用管网3这样分配在气体增压室内的气体或前体材料，但这需要复杂的维护，这包括：拆卸所有的管道，在安装阶段期间检查管道的整体取向，检查框架与管道之间的大量密封等。

此外，从管网3获得的气流均匀性较差，并且在无需非常复杂设计的情况下改善气流均匀性的可能性非常有限。在该构造中，管网3的分配管道位于在如上所述的单独气体增压室中的诸如气体喷射单元2的冷却/喷射板之后。前体材料在该气体增压室内混合，并可甚至部分地起反应。这样的寄生沉积可能在气体增压室内出现，寄生沉积还可降低有些气体分配器在耗时方面的功能指标。如果仅仅为了避免前体材料在气体增压室内发生化学反应，就不得不使用超过一个的独立管线，那么这会进一步提高整个分配系统的复杂性，进一步降低设计自由度。

发明内容

因此，本发明的目的是克服先前描述的现有技术的缺陷，即提供一种具有管道系统的真空室，所述管道系统在真空室中将气体更均匀地分配到要处理的基板上，从而改善了基板的涂层同质性。

通过独立权利要求达到该目的。在从属权利要求中详述了有利的实施例。

特别地，该目的通过一种用于容纳要在真空处理工艺中处理的基板的真空室达到，所述真空室包括气体入口和气体分配系统，所述气体入口连接至用于容纳气体的气体源，所述气体分配系统用于将所述气体从气体入口分配到在朝向所述基板的多个位置处的多个通向所述真空室的出口孔，其中，气体分配系统包括第一板和第二板，每块板均具有平坦侧面；第一板具有形成出口孔的多个镗孔；第二板具有布置在平坦侧面上的多个通道；第一板与第二板通过它们的彼此直接接触的平坦侧面安装到一起，使得第一板的每个镗孔布置在第二板的通道终止的位置处，使得气体可通过各个通道分配到镗孔中；以及各个通道汇合成连接至气体入口的至少一个共同通道，从而形成分支布置。

因此，本发明基于提供一种诸如第二板的所谓二叉树气体分配器板的中心思想，所述二叉树气体分配器板具有从气体入口到多个出口孔输送、分离和/或分配诸如“低反应性”气体的气体或气体混合物的通道，导致均匀的气体流量分配。结果，达到均匀的气流，这导致均匀的基板涂层。总之，包括气体分配系统的真空室显著改善了基板涂层的同质性，从而在也降低了制造成本的同时，改善了如此制造的基板质量。

在当前发明意义上的术语“处理”包括作用于基板的任何化学、物理和/或机械效应。

在当前发明意义上的术语“基板”包括要用根据本发明的真空处理系统处理的元件、部件或工件。基板包括但不局限于具有矩形、方形或圆形形状的平坦的、板状的部件。优选地，基板适合于制造薄膜太阳能电池，基板包括浮法玻璃、保险玻璃和/或石英玻璃。更优选地，基板设置成诸如薄玻璃板的、尺寸≥1m²的平面的大致平坦的、最优选地完全平坦的基板。

在当前发明意义上的术语“真空处理”或“真空处理系统”至少包括一壳体，所述壳体用于在比周围大气压力低的压力下处理所述基板。

术语化学气相沉积（即CVD）及其变体在当前发明意义上包括允许在受热基板上进行层的沉积的众所周知的技术。通常向真空处理系统供给液体或气体（气态前体材料），其中，前体材料的热反应导致层的沉积。通常，用于通过采用低压化学气相沉积（即LPCVD）工艺而在真空处理系统中产生TCO层的前体材料选择二乙基锌（即DEZ）。术语“TCO”代表透明导电氧化物，即TCO层是透明导电层，其中，无论是对CVD、LPCVD、等离子增强化学气相沉积（即PECVD）或物理气相沉积（即PVD）来说，以下术语：层、涂层、沉积和膜在该发明内都可互换地用于在真空处理中沉积的膜。

术语“太阳能电池”或“光生伏打电池”、“PV电池”在当前发明意义上包括借助于光生伏打效应能够将本质上是太阳光的光直接转换成电能的电气元件。薄膜太阳能电池通常包括连续地堆叠在基板上的第一电极或前电极、一个或多个半导体薄膜PIN结以及第二电极或背电极。每个PIN结或薄膜光电变换单元都包括被夹在p型层与n型层之间的i型层，其中“p”代表正掺杂，并且“n”代表负掺杂。本质上是本征半导体层的i型层占用所述薄膜PIN结的厚度的大部分，其中，光电变换主要出现在该i型层中。因此，优选地，所述基板是用于制造薄膜光生伏打电池的基板。

术语“平坦”在当前发明意义上包括不粗糙、即没有凹槽等的表面。优选地，术语“平坦”意味着相应表面的表面粗糙度等级≤N9。

在本发明意义上的术语“气体”意味着适于在CVD处理工艺中提供涂层的任何气体，特别地意味着适于形成制造太阳能电池所需的涂层的任何气体。优选地，第一板设置成邻近基板地布置在真空室中的气体喷射板。第二板优选地设置成用于横跨基板表面分配气体的分配器板。更优选地，每个通道包括两个端部并以管道或导管状的方式设置成用于将气体从第一端输送至第二端。在通道连接至镗孔的情形下，意味着：优选地在通道中输送的气体全部分配到镗孔中，以便流到基板上。

在另一优选实施例中，气体分配系统包括具有平坦侧面的背板，第二板在两侧上具有两个相对的平坦侧面和两组相对的通道，并且背板与第二板通过它们的彼此直接接触的平坦侧面安装到一起，使得气体可通过在第二板的两侧上的通道分配。这意味着第二板的每侧设计成独立地输送、分离和/或分配例如两种不同气体的气体，所述气体用于在基板上发生反应且可在真空室中混合。这样，进一步优选的是，第二板的两侧的各个通道从所述第二板（5）的每侧汇合成至少一个共同通道，使得气体可分配至第二板的每侧的各个通道。换句话说，优选的是，气体分配系统包括分别设置在第二板的一侧上的两个不同的共同通道，以便将气体提供至所述多个通道。优选地，第一板、第二板和/或背板彼此平行布置。

在另一优选实施例中，第二板包括多个第二镗孔，使得来自第二板的两侧的所述两组通道的气体可分配到形成用于气体的共同出口孔的所述相同镗孔中。这意味着在第二板内混合两种气体（例如两种不同的气体），例如用于将这两种气体变成高反应性的，然后直接喷射到真空室中，即喷射到反应室中。对于该构造，气体预混合没有出现在设置于真空室内的气体增压室中，这将气体增压室内的寄生沉积减到最低。因此，其效果是提高了用于基板涂层的喷射气体的量。

在替代性实施例中，第二板包括分别与镗孔相关的多个第二镗孔，使得来自第二板的两侧的通道的气体可从所述第二板（5）的每侧分配到分别形成用于各个气体的单独出口孔的各个镗孔中。这意味着根据本实施例，气体混合出现在气体增压室中，这有利地减少通道内的寄生沉积。

在特别优选的实施例中，至少一个通道的端部邻近另一通道设置，使得从一个通道分配到另一通道中的气体可在所述另一通道的两个端部之间相等地分离。进一步优选的是，所述通道以二叉树方式布置，以在所述气体入口与所述出口孔之间形成所述分支布置，使得分配到所述分支布置中的气体横跨所有出口孔相等地分离。在另一优选实施例中，通道设置成使得在气体入口与每个出口孔之间的气体路径长度相等。根据这些实施例，优选的是，至少一个通道分支到另一通道中，以便形成分支更多的气体分配系统，使得进入所述共同通道的流入气体被多个通道朝向分别具有相同的气体路径长度并优选地在真空室内沿着基板表面均匀分布的多个出口孔再分支。因此，这样的实施例进一步提高了气流的均匀性，改善了基板涂层的质量。

在另一优选实施例中，所述通道以变窄方式设置在所述共同通道与位于所述镗孔处的所述各个通道的端部之间，所述共同通道具有≤3mm的深度和≤16mm的宽度，位于所述镗孔处的所述通道的端部分别具有≤1.5mm的深度和≤3mm的宽度，并且所述镗孔分别具有≤2.2mm的直径。相比于现有技术的系统，例如对于薄膜太阳能电池，特别是当以变窄方式提供到所有出口孔都具有相同的气体路径长度的通道、以致在要处理的整个基板表面上气体分布得非常均匀时，具有前述尺寸的通道的本发明显著改善了基板涂层的质量。还优选的是，所述第二板的厚度≤15mm，从而，相比于现有技术的系统降低了制造成本。

通常，通道内的气流可具有任何流动速率。然而，已发现如果所述通道和所述镗孔设置成使得从所述气体入口到所述出口孔的气流在第二板的每侧≤1slm（每分钟标准立升），则是特别有利的。由于具有所述通道和所述镗孔的本发明使得诸如所述气体的前体材料分布得更均匀了，所以进一步优化了涂层质量。已发现，作为气体的DEZ的流量的1%变化和基板温度的1℃变化分别诱发涂层厚度的大约6nm和25nm的变化。

在另一优选实施例中，气体分配系统包括用于所述冷却第二板的冷却装置，其中该装置优选地包括用水冷却，优选地在24℃时每分钟（min）用13升（l）水进行冷却。所述冷却装置不但避免了第二板表面在暴露于真空室的热反应器部分发生沉积，而且减少了在所述气体分配系统内发生的寄生沉积，特别地如果根据先前描述的实施例将气体预混合。

一般地，可以根据从现有技术已知的任何方式来设置所述通道，以便将所述气体从所述气体入口分配至所述出口孔。其中特别优选的是，所述通道设置成凹槽。类似地，所述镗孔优选地设置成贯通所述第一板的孔，从而使得制造更容易了。

附图说明

根据在下文中描述的实施例而清楚地描述了并阐明了本发明的这些及其他的方面。

在附图中：

图1示出了根据现有技术的气体分配系统；

图2示出了根据本发明的优选实施例的二叉树气体分配系统的顶视图；

图3示出了根据本发明的优选实施例的二叉树气体分配系统的侧视图；

图4a示出了在根据本发明的另一优选实施例的二叉树气体分配系统中的发生的气体混合；

图4b示出了在根据本发明的另一实施例的二叉树气体分配系统中的发生的气体混合；

图5a示出了根据本发明的另一实施例的二叉树气体分配系统的侧视图；以及

图5b示出了根据本发明的另一实施例的二叉树气体分配系统的顶视图。

具体实施方式

为了在诸如用于在真空处理工艺中处理基板的真空反应室的反应室中均匀、独立地分配不同的前体材料，本发明构成一种不利用如现有技术的图1所示的分配管网3的新设计。

在该新设计中，利用诸如如图2顶视图所示的第二板5的所谓二叉树气体分配器板来控制气体分配。如图3中所示，第二板5在两侧具有凹槽形通道6a、6b。所述第二板5的每侧设计成从一个气体入口7向所有的出口孔8输送、分离和分配一种“低反应性”气体A、B或气体混合物。选择通道6a、6b的凹槽尺寸，以便在二叉树气体分配系统9内获得从诸如用于在第二板5的每侧上的不同气体的单独气体入口7的气体入口7到1024个出口孔8的平滑的压力变化。

为了利用更快的钻孔来降低制造成本，可制造较大的但为蜂窝式的（cellular）凹槽。结果，有15mm的第二板5可用作气体分配器板。在一个实施例中，凹槽深度在靠近气体入口7的入口处的3mm与通道6a、6b终止于出口孔8的位置处的1.5mm之间。同时，通道6a、6b的宽度从16mm减小至3mm，导致2.2mm直径的出口孔8。与第二板5的这样的构造一起使用的气体A、B的流量大约为诸如第二板5每侧的分配器每侧1slm。

进一步，如图2中所示，至少一个通道6a、6b邻近另一通道6a、6b设置，使得从一个通道6a、6b分配到另一通道6a、6b中的气体A、B在另一通道6a、6b的两个端部之间相等地分离。这样，气体分配系统9在气体入口7与所有的出口孔8之间形成二叉树分支布置。

如图4a和图4b所示，为了混合两种不同的气体A、B，可能有两种不同的构造。在图4a所示的第一种构造中，气体A、B在设置成镗孔4的出口孔8中的第一板10内混合，然后喷射到真空室的反应室11中。在该构造中，在气体管线中或者在气体增压室中、例如在反应室11中，没有出现气体A、B的预混合，这将气体增压室内的寄生沉积减到最少。因此提高了用于基板涂层的喷射气体A、B的实际数量，也提高了气体利用率。此外，诸如第一板10的气体喷射板由冷却装置12用水冷却。在24℃时采用13升/分钟（l/min）的冷却速率，不仅避免了气体喷射板表面在暴露于热反应器的部分发生沉积，而且减少了在气体A、B预混合的喷射管道5内发生的寄生沉积、即减少了在出口孔8内发生的寄生沉积。

如图4a和图4b所示，第一板10与第二板5通过它们的彼此直接接触的平坦侧面（flat sides）安装到一起，以便使得第一板10的每个镗孔4（出口孔8）布置在第二板5的通道6a、6b终止的位置处，从而使得气体A、B可通过各个通道6a、6b分配到出口孔8中。

在图4b所示的第二种构造中，气体A、B的预混合没有出现在气体喷射板（第一板10）内，而是直接出现在反应室11内。该构造将通道6a、6b的凹槽内的寄生沉积减少至最低。

根据本发明的气体分配系统9的设计，对于第二板5内的所有不同的气体路线，气体入口7与每个出口孔8之间的气体路径长度相同，从而导致均匀的气体A、B流量分配。在具有这样均匀的气体A、B流量的情况下，当也具备均匀的基板温度时，就能获得均匀的基板涂层。对于这样的处理工艺，二乙基锌（DEZ）流量的1%变化和基板温度的1℃变化可分别诱发涂层厚度的大约6nm和25nm的变化。

图4a和4b所示的构造进一步具有设置在第一板10与第二板5之间的隔离板13，图4a和4b所示的构造还具有背板14，以便使得在第二板5的两侧上的通道6a、6b分别设置在第二板5与背板14之间和第二板5与隔离板13之间。第二板5包括多个第二镗孔15，以便使得来自第二板5的两侧的两通道6a、6b的气体A、B可分配到相同镗孔4中（图4a），相应地所述气体A、B可从所述第二板5的每侧分配到各个镗孔4中（图4b）。

在根据本发明的上述二叉树气体分配系统9中，能够从反应器侧直接结合气体A、B，而不再如现有技术所知并如图5a所示参考附图标记16而从顶部直接结合气体A、B。因此，同样参见图5b，仅需要用于形成通道6a、6b的一个附加凹槽17。相比于现有技术，这样的改进急剧减小了整个气体增压室厚度，使之适合于在反应器的堆叠布置中进行集成。传统管道被附加凹槽17替换了，也降低了制造成本——所述附加凹槽17将气体A、B输送到板5中间。

尽管在附图和前述说明中已详细例证并描述了本发明，但这样的例证和说明被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的；本发明不局限于公开的实施例。通过研读本发明的说明书附图、发明内容和权利要求书，本领域的技术人员在实践要求保护的本发明时能理解并实现本发明实施例的其他变体。在权利要求中，文字“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中列举的某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释成对保护范围的限制。

附图标记列表：

1           冷却单元

2           气体喷射单元

3           管网

4           镗孔

5           第二板

6a、6b      通道

7           气体入口

8           出口孔

9           气体分配系统

10          第一板

11          反应室

12          冷却装置

13          隔离板

14          背板

15          第二镗孔

16          附图标记

17          附加凹槽

Claims (14)

1.一种用于容纳要在真空处理工艺中处理的基板的真空室，其包括气体入口（7）和气体分配系统（9），所述气体入口（7）连接至用于容纳气体（A、B）的气体源，所述气体分配系统（9）用于将所述气体（A、B）从所述气体入口（7）分配到在朝向所述基板的多个位置处的多个通向所述真空室的出口孔（8），其中，

所述气体分配系统（9）包括第一板（10）和第二板（5），每块板均具有平坦侧面；

所述第一板（10）具有形成所述出口孔（8）的多个镗孔（4）；

所述第二板（5）具有布置在所述平坦侧面上的多个通道（6a、6b）；

所述第一板（10）与所述第二板（5）通过它们的彼此直接接触的平坦侧面安装到一起，使得所述第一板（10）的每个镗孔（4）布置在所述第二板（5）的通道（6a、6b）终止的位置处，使得气体（A、B）通过所述各个通道（6a、6b）分配到所述镗孔（4）中；以及

所述各个通道（6a、6b）汇合成连接至所述气体入口（7）的至少一个共同通道（6a、6b），形成分支布置。

2.根据前述权利要求所述的真空室，其中，所述气体分配系统（9）包括具有平坦侧面的背板（14），所述第二板（5）在两侧上具有两个相对的平坦侧面和两组相对的通道（6a、6b），所述背板（14）与所述第二板（5）通过它们的彼此直接接触的平坦侧面安装到一起，使得气体（A、B）通过在所述第二板（5）的两侧上的所述通道（6a、6b）分配。

3.根据前述权利要求所述的真空室，其中，所述第二板（5）的两侧的所述各个通道（6a、6b）从所述第二板（5）的每侧汇合成至少一个共同通道（6a、6b），使得气体（A、B）分配至所述第二板（5）的每侧的所述各个通道（6a、6b）。

4.根据前述权利要求2或3中的任一项所述的真空室，其中，所述第二板（5）包括多个第二镗孔（15），来自所述第二板（5）的两侧的所述两组通道（6a、6b）的气体（A、B）分配到形成用于气体（A、B）的共同出口孔（8）的相同镗孔（4）中。

5.根据前述权利要求2或3中的任一项所述的真空室，其中，所述第二板（5）包括与镗孔（4）相关的多个第二镗孔（15），使得来自所述第二板（5）的两侧的所述通道（6a、6b）的气体（A、B）被从所述第二板（5）的每侧分配到分别形成用于所述各个气体（A、B）的单独出口孔（8）的各个镗孔（4）中。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述至少一个通道（6a、6b）的端部邻近所述另一通道（6a、6b）设置，使得从所述一个通道（6a、6b）分配到所述另一通道（6a、6b）中的气体（A、B）在所述另一通道（6a、6b）的两个端部之间相等地分离。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述通道（6a、6b）以二叉树方式布置，在所述气体入口（7）与所述出口孔（8）之间形成所述分支布置，使得分配到所述分支布置中的气体（A、B）横跨所述所有出口孔（8）相等地分离。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述通道（6a、6b）设置成使得在所述气体入口（7）与所述每个出口孔（8）之间的气体路径长度相等。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述通道（6a、6b）以变窄方式设置在所述共同通道（6a、6b）与位于所述镗孔（4）处的所述各个通道（6a、6b）的端部之间，所述共同通道（6a、6b）具有≤3mm的深度和≤16mm的宽度，位于所述镗孔（4）处的所述通道（6a、6b）的端部分别具有≤1.5mm的深度和≤3mm的宽度，并且所述镗孔（4）分别具有≤2.2mm的直径。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述第二板（5）的厚度≤15mm。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述通道（6a、6b）和所述镗孔（4）设置成使得从所述气体入口（7）到所述出口孔（8）的气流在所述第二板（5）的每侧≤1slm。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述气体分配系统（9）包括用于冷却所述第二板（5）的冷却装置（12）。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述通道（6a、6b）设置成凹槽。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的真空室，其中，所述镗孔（4）设置成贯通所述第一板（10）的孔。

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