CN112967920A - 一种微波等离子体刻蚀装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波等离子体刻蚀装置，包括：真空反应腔室、耦合窗、屏蔽罩和微波传导组件；耦合窗的一侧与真空反应腔室密封连接，耦合窗的另一侧与屏蔽罩密封连接；微波传导组件包括长度可调的同轴天线，同轴天线伸入屏蔽罩内，且同轴天线在屏蔽罩内的长度大于或等于真空反应腔室中刻蚀基体的总高度；通过同轴天线传输微波，以激发真空反应腔室内的反应气体转化为活性等离子体，实现对刻蚀基体的刻蚀。本发明的微波等离子体刻蚀装置具有结构紧凑、等离子体浓度高、设备产能高等优点。同时，本发明还公开了利用上述微波等离子体刻蚀装置进行刻蚀的方法，大大提高了待刻蚀基体的刻蚀效率，并且保证了刻蚀质量。
Description
技术领域
本发明主要涉及微电子加工技术领域，尤其涉及一种用于大产能的太阳能电池硅片的微波等离子体刻蚀装置及方法。
背景技术
随着太阳能电池技术的进步，太阳能电池的光电转换效率正在逐年向上攀登，相应的，太阳能电池的结构也发生了改变。N型双面电池是高效电池的一种，它是基于现有晶硅电池平台上实现高效率、低成本的方法之一，只需在常规晶硅电池产线上增加几道工序即可实现高效电池的生产，其中之一是电池片的周边刻蚀。
常规电池产线上已有的电池片周边刻蚀有干法刻蚀和湿法刻蚀两种。第一代刻蚀是采用干法刻蚀，由于其产能低、使用成本高、且电池结构为单面电池，此工艺已被湿法腐蚀所替代。
现有的干法刻蚀包括射频刻蚀和微波刻蚀两种。太阳能电池工艺中使用的是射频刻蚀，它是采用射频放电模式，其活性气体离化率相对较低，因而导致刻蚀时间长、产能低、刻蚀工艺效果较差等缺点。而微波刻蚀主要用于半导体硅片的刻蚀，主要用于单个硅片表面的图形刻蚀，它是利用微波放电模式，采用矩形波导传输，直接离化真空腔体内的活性气体。虽然该方法的等离子体浓度高，但主要集中在微波耦合窗附近，用于单片刻蚀较好。而对于要求大产能的太阳能电池硅片的刻蚀而言，由于刻蚀工件的高度较高，容易出现上下刻蚀不均匀的现象，导致产品合格率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、等离子体浓度高、生产效率高的微波等离子体刻蚀装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种微波等离子体刻蚀装置，包括：真空反应腔室、耦合窗、屏蔽罩和微波传导组件；所述耦合窗的一侧与真空反应腔室密封连接，耦合窗的另一侧与屏蔽罩密封连接；所述微波传导组件包括长度可调的同轴天线，所述同轴天线伸入屏蔽罩内，且同轴天线在屏蔽罩内的长度大于或等于真空反应腔室中刻蚀基体的总高度；通过同轴天线传输微波，以激发真空反应腔室内的反应气体转化为活性等离子体，实现对刻蚀基体的刻蚀。
作为本发明的进一步改进，所述真空反应腔室内设有用于夹持刻蚀基体的夹具，所述夹具在真空反应腔室内绕竖直中心轴旋转。
作为本发明的进一步改进，所述微波传导组件还包括同轴波导、微波头和微波电源；所述同轴波导的一端与屏蔽罩连接，同轴波导的另一端与微波头连接；所述同轴天线的一端与微波头连接，同轴天线的另一端穿过同轴波导以伸入屏蔽罩内；微波头与微波电源连接。
作为本发明的进一步改进，所述同轴天线与微波头的连接处设有波导转换块，通过波导转换块将微波头发射的矩形波导转换为同轴波导。
作为本发明的进一步改进，所述微波头上远离微波电源的端部设有短路活塞，所述短路活塞用于调节微波的反射功率，使微波的反射功率最小。
作为本发明的进一步改进，所述述微波等离子体刻蚀装置还包括真空组件，真空组件与真空反应腔室相连通。
作为本发明的进一步改进，所述微波等离子体刻蚀装置还包括磁场产生组件，所述磁场产生组件位于真空反应腔室相对的外侧，且与耦合窗靠近。
作为本发明的进一步改进，所述微波等离子体刻蚀装置还包括气路组件，所述气路组件分别与真空反应腔室上靠近磁铁的两侧壁连接，通过气路组件向真空反应腔室内部输送反应气体。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种微波等离子体刻蚀方法，采用上述的微波等离子体刻蚀装置对刻蚀基体进行等离子体刻蚀，包括：根据真空反应腔室内刻蚀基体的堆叠高度调整同轴天线伸入屏蔽罩内的长度，并调整夹具旋转的速度，使得刻蚀基体进行均匀刻蚀。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：调整刻蚀基体在真空反应腔室内的刻蚀时间，使得刻蚀基体达到预设的刻蚀深度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的微波等离子体刻蚀装置，通过耦合窗将真空反应腔室和屏蔽罩进行密封隔离，将用于传导微波的同轴天线设置在屏蔽罩内，有效避免了刻蚀过程中同轴天线被真空反应腔室内的反应气体所腐蚀的风险，既提高了同轴天线的使用寿命，也提高了同轴天线传导微波的稳定性。此外，根据真空反应腔室内刻蚀基体堆叠的总高度，可以灵活调整同轴天线伸入屏蔽罩内的长度，使得屏蔽罩内同轴天线的长度大于或等于刻蚀基体堆叠的总高度，既有利于提高真空反应腔室内的等离子体浓度，又确保了沿着刻蚀基体的高度方向上等离子体浓度的均匀性。再配合夹具的旋转作用，实现了刻蚀基体的均匀刻蚀，并且有效缩短了刻蚀时间，提高了设备产能。
2.本发明的微波等离子体刻蚀方法，通过采用上述的微波等离子体刻蚀装置进行刻蚀，并根据刻蚀基体的堆叠高度调整同轴天线伸入屏蔽罩内的长度、调整夹具旋转的速度以及调整刻蚀基体在真空反应腔室内的刻蚀时间，实现了刻蚀基体的高效快速刻蚀，提高了生产效率的同时也保证了刻蚀质量。在具体应用过程中，本发明的微波等离子体刻蚀方法一次可以实现2400片、甚至更多硅片的刻蚀，较现有技术的产能提高了一倍以上，很好地满足了太阳能电池片的大产能需求。
附图说明
图1为本发明的微波等离子体刻蚀装置的结构原理示意图。
图2为本发明的微波等离子体刻蚀装置的俯视结构原理示意图。
图例说明：
1、真空反应腔室；2、耦合窗；3、屏蔽罩；4、同轴天线；5、同轴波导；6、波导转换块；7、短路活塞；8、微波头；9、微波电源；10、夹具；11、硅片；12、真空组件；13、磁铁；14、气路组件。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例
如图1和图2所示，本发明的微波等离子体刻蚀装置，包括：真空反应腔室1、耦合窗2、屏蔽罩3和微波传导组件。耦合窗2的一侧与真空反应腔室1密封连接，耦合窗2的另一侧与屏蔽罩3密封连接。微波传导组件包括长度可调的同轴天线4，同轴天线4伸入屏蔽罩3内，且同轴天线4在屏蔽罩3内的长度大于或等于真空反应腔室1中硅片堆叠的总高度。通过同轴天线4传导微波，以激发真空反应腔室1内的反应气体转化为活性等离子体，实现对硅片的刻蚀。本实施例中，真空反应腔室1由耐腐蚀的铝合金制成，耦合窗2和屏蔽罩3的长度方向与真空反应腔室1中硅片11的堆叠方向相同，相应的，同轴天线4是沿着硅片11堆叠的反方向伸入屏蔽罩3中。进一步地，耦合窗2起到了真空隔离板的作用，具体的，耦合窗2可以采用陶瓷板，以实现微波的低损失穿透，提高真空反应腔室1内反应气体的转化效率。
如图1所示，本实施例中，真空反应腔室1内设有用于夹持硅片11的夹具10，夹具10在真空反应腔室1内沿箭头a所指的方向绕竖直中心轴进行连续旋转。待刻蚀的硅片11叠层放置在夹具10内，利用夹具10夹紧并使硅片11上下两端面均被遮挡，只留出外圆周位置与活性等离子体接触反应，实现硅片11外圆周材料的去除，达到刻蚀的效果。在驱动组件(图中未示出)的驱动下，夹具10旋转的同时也带动了堆叠在夹具10上的硅片11进行旋转，实现硅片11外圆周的均匀刻蚀。可以理解，在其他实施例中，在驱动组件的驱动下，夹具10也可以进行圆周往复旋转，以实现硅片11外圆周的均匀刻蚀。
如图1所示，本实施例中，微波传导组件还包括同轴波导5、微波头8和微波电源9。微波头8与微波电源9连接，以产生微波并进行传导。同轴波导5的一端与屏蔽罩3连接，同轴波导5的另一端与微波头8连接。同轴天线4的一端与微波头8连接，同轴天线4的另一端穿过同轴波导5以伸入屏蔽罩3内。进一步地，同轴天线4与微波头8的连接处设有波导转换块6，微波头8上远离微波电源9的端部设有短路活塞7。本实施例中，通过波导转换块6将微波头8发射的矩形波导转换为同轴波导，通过同轴天线4将微波头8产生的微波均匀传导至屏蔽罩3，以激发真空反应腔室1内的反应气体，并且能够根据硅片11的堆叠高度灵活调整同轴天线4的长度，只需设置一个微波头8即可满足硅片11进行等离子体刻蚀的微波能量需求，有效节约了设备成本，对于追求低成本的太阳能行业来说是非常实用的。与此同时，通过短路活塞7调节微波的反射功能，使微波的反射功率最小，大大提高了微波的利用率。
如图1所示，本实施例中，微波等离子体刻蚀装置还包括真空组件12，真空组件12与真空反应腔室1相连通。通过真空组件12的作用，使得真空反应腔室1保持真空反应状态。可以理解，真空组件12具体可以采用真空泵的形式。
如图2所示，本实施例中，微波等离子体刻蚀装置还包括磁场产生组件和气路组件14。本实施例中，磁场产生组件为磁铁13，一组磁铁13分别位于真空反应腔室1相对的外侧，且与耦合窗2靠近。气路组件14分别与真空反应腔室1上靠近磁铁13的两侧壁连接，通过气路组件14向真空反应腔室1内部源源不断地输送反应气体。所使用的反应气体主要有CF4、SF6、CHF3、O2等。进入真空反应腔室1内部的反应气体在耦合窗2附近被屏蔽罩3内的微波激发为等离子体，通过磁铁13在真空反应腔室1内部产生磁场，并且磁场位于耦合窗2附近，以约束等离子体，降低等离子体损失，并引导等离子体向硅片11的方向移动，使得等离子体能够更为密集地与硅片11接触，进一步提高刻蚀速率。可以理解，在其他实施例中，磁场产生组件也可以采用电磁体。
本实施例中，通过耦合窗2将真空反应腔室1和屏蔽罩3进行密封隔离，将用于传导微波的同轴天线4设置在屏蔽罩3内，有效避免了刻蚀过程中同轴天线4被真空反应腔室1内的反应气体所腐蚀的风险，既提高了同轴天线4的使用寿命，也提高了同轴天线4传导微波的稳定性。此外，根据真空反应腔室1内硅片11堆叠的总高度，可以灵活调整同轴天线4伸入屏蔽罩3内的长度，使得屏蔽罩3内同轴天线4的长度大于或等于硅片11堆叠的总高度，既有利于提高真空反应腔室1内的等离子体浓度，又确保了沿着硅片11的高度方向上等离子体浓度的均匀性。再配合夹具10的旋转作用，实现了硅片11的均匀刻蚀，并且有效缩短了刻蚀时间，提高了设备产能。
本实施例中，还提供了一种微波等离子体刻蚀方法，采用上述的微波等离子体刻蚀装置对硅片进行等离子体刻蚀，包括：根据真空反应腔室1内硅片11的堆叠高度调整同轴天线4伸入屏蔽罩3内的长度，并调整夹具10旋转的速度，使得硅片11进行均匀刻蚀；以及调整硅片11在真空反应腔室1内的刻蚀时间，使得硅片11达到预设的刻蚀深度。本实施例的微波等离子体刻蚀装置中的等离子体浓度较高，并且分布很均匀，有效缩短了刻蚀的时间，实现了硅片的高效快速刻蚀，提高了生产效率的同时也保证了刻蚀质量。本发明的微波等离子体刻蚀方法一次可以实现2400片、甚至更多硅片的刻蚀，较现有技术的产能提高了一倍以上，很好地满足了太阳能电池片的大产能需求。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和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、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，包括：真空反应腔室(1)、耦合窗(2)、屏蔽罩(3)和微波传导组件；所述耦合窗(2)的一侧与真空反应腔室(1)密封连接，耦合窗(2)的另一侧与屏蔽罩(3)密封连接；所述微波传导组件包括长度可调的同轴天线(4)，所述同轴天线(4)伸入屏蔽罩(3)内，且同轴天线(4)在屏蔽罩(3)内的长度大于或等于真空反应腔室(1)中刻蚀基体的总高度；通过同轴天线(4)传导微波，以激发真空反应腔室(1)内的反应气体转化为活性等离子体，实现对刻蚀基体的刻蚀。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述真空反应腔室(1)内设有用于夹持刻蚀基体的夹具(10)，所述夹具(10)在真空反应腔室(1)内绕竖直中心轴旋转。
3.根据权利要求2所述的微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述微波传导组件还包括同轴波导(5)、微波头(8)和微波电源(9)；所述同轴波导(5)的一端与屏蔽罩(3)连接，同轴波导(5)的另一端与微波头(8)连接；所述同轴天线(4)的一端与微波头(8)连接，同轴天线(4)的另一端穿过同轴波导(5)以伸入屏蔽罩(3)内；微波头(8)与微波电源(9)连接。
4.根据权利要求3所述的微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述同轴天线(4)与微波头(8)的连接处设有波导转换块(6)，通过波导转换块(6)将微波头(8)发射的矩形波导转换为同轴波导。
5.根据权利要求4所述的微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述微波头(8)上远离微波电源(9)的端部设有短路活塞(7)，所述短路活塞(7)用于调节微波的反射功率。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述微波等离子体刻蚀装置还包括真空组件(12)，真空组件(12)与真空反应腔室(1)相连通。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述微波等离子体刻蚀装置还包括磁场产生组件，所述磁场产生组件位于真空反应腔室(1)相对的外侧，且与耦合窗(2)靠近。
8.根据权利要求7所述的微波等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述微波等离子体刻蚀装置还包括气路组件(14)，所述气路组件(14)分别与真空反应腔室(1)上靠近磁铁(13)的两侧壁连接，通过气路组件(14)向真空反应腔室(1)内部输送反应气体。
9.一种微波等离子体刻蚀方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任意一项所述的微波等离子体刻蚀装置对刻蚀基体进行等离子体刻蚀，包括：根据真空反应腔室(1)内刻蚀基体的堆叠高度调整同轴天线(4)伸入屏蔽罩(3)内的长度，并调整夹具(10)旋转的速度，使得刻蚀基体进行均匀刻蚀。
10.根据权利要求9所述的微波等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述方法还包括：调整刻蚀基体在真空反应腔室(1)内的刻蚀时间，使得刻蚀基体达到预设的刻蚀深度。
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2021
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Patent Citations (7)
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