CN201427992Y - 一种带有内加热器的pecvd系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有内加热器的PECVD系统，包括真空室和置于真空室内的可移式等离子箱，所述真空室的外周四壁上设有加热板，所述可移式等离子箱至少为两个，各可移式等离子箱平行排列于真空室内，各可移式等离子箱之间设有用于使真空室内均匀受热的内加热器。此装置大大提高了单室沉积系统的产量，又避免传统加热方式造成的温度分布不均衡问题，本实用新型有效解决了在带有TCO的玻璃衬底上沉积的硅基薄膜的厚度不均匀性，提高了大面积硅基薄膜太阳电池的性能，为研发大面积PECVD薄膜沉积系统奠定了基础，有力推动硅薄膜电池技术产业化。

Description

一种带有内加热器的PECVD系统

技术领域

本实用新型涉及一种大面积、高速沉积硅基薄膜的真空镀膜装置，特别涉及一种带有内加热器的PECVD系统。

背景技术

围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标的各种新型太阳能电池的研究工作，一直在各发达国家及一些发展中国家积极进行。太阳电池薄膜化是降低成本的主要发展方向，因此薄膜太阳能电池(非晶硅、非晶硅/微晶硅叠层电池等)成为全球新型太阳能电池研究开发的一大热点。另外薄膜电池如何将新技术的突破和大规模产业化结合，生产设备是制约薄膜电池发展的关键。现代的薄膜制备工艺，尤其是不断创新的PECVD技术对设备的性能提出很高的要求。因此，先进的真空薄膜沉积设备构成了整个薄膜材料和器件技术的重要环节。

一般整套硅薄膜电池生产线包括：超声清洗设备、等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD系统)、磁控溅射镀铝设备、激光刻划机、电池测试系统、烘烤系统和其他辅助设备。其中PECVD系统为硅薄膜电池生产线的核心设备，制约着整条生产线的性能，PECVD系统即等离子体增强化学气相沉积系统，PECVD技术的原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低压下射频放电的电极上，通入的工艺气体，在射频放电后形成等离子体，等离子体中含有大量高能电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进工艺气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，这些化学基团再经一系列反应，在样品表面形成固态薄膜。

硅基薄膜太阳电池是利用PECVD法在具有透明导电膜(TCO)的玻璃基板(玻璃基片)上沉积p-i-n、p-i-n/p-i-n或者p-i-n/p-i-n/p-i-n结构的硅基薄膜光电转换层，然后制作背电极而成。在薄膜太阳能电池整个生产制造过程中，硅基薄膜沉积至关重要，其中的硅基材料可以是非晶硅、纳米硅、微晶硅、多晶硅以及非晶锗硅等硅合金材料等。薄膜电池中光电转换层中每层膜的厚度只有十几～几百纳米，膜沉积的好坏将直接关系到太阳能电池的电性能及外观质量，它的沉积过程除与工艺参数如温度、压力、流量、功率、工作气体配比等因素有关系外，还与PECVD系统的结构有关。

传统的硅基薄膜太阳电池制造的PECVD系统采用了单片沉积的电容耦合式PECVD系统、具有多个线形相互耦合的镀膜室的内嵌(inline)PECVD系统，或者多个环绕转移室的反应室的多室簇型PECVD系统(cluster)。单片沉积的电容耦合式PECVD系统中，激发电极和接地电极只有一对，被用于镀膜的基板一般放置于接地电极上，接地电极的背面有一加热器，给基板提供一预定温度，激发电极上凿有适当密度的孔穴，工艺气体通过这些孔穴进入放电区，所以激发电极上不能放置基板，这种PECVD系统的生产力受到严重的限制。在具有稍大生产能力的内嵌系统中，形成硅薄膜的基板必须不断从一个反应室移动到另一个反应室来执行下一道工序，这意味着如果一个反应室出现故障，那么整个系统必须停止工作，这种相互依赖性严重制约了它的稳定性和生产能力。同时对于簇型PECVD设备，基板是通过中转室移进或移出周围的镀膜室，每个镀膜室和中转室之间由活动门连接，使单个镀膜室处于密封状态，其中一个镀膜室出现故障，不会影响到其它镀膜室，克服了上述内嵌系统的缺点，但是由几个镀膜室组成的簇型PECVD设备极其复杂并且昂贵，由于快捷可靠的运行对其机械精确度要求极高，另外由于空间有限，只有少量镀膜室能与中转室连接，这意味着无法通过增加镀膜室来增加生产量。因此上述PECVD系统不适合用于大型基板镀膜，特别是硅基薄膜太阳电池的低成本高产量的生产。

最早用于工业化生产硅基薄膜太阳电池的PECVD系统是美国Chronar公司设计的内联式非晶硅太阳能电池的PECVD系统，见图1，整个PECVD系统有6个真空室1-1，真空室外置加热器1-2，每个真空室装1个可移式等离子箱1-3，可移式等离子箱采用单激发电极1-4，每个可移式等离子箱装4片基板1-5，即生产线一批次沉积24片基板。基板的面积是305×915mm(12″×36″)。它的不足之处为：采用六个真空室，真空室多，整个真空系统复杂；6个分立可移式等离子箱，所以装卸过程往往是费时的、繁琐的，效率低；每批所装的基板少，只有24片，且基板的面积小(305×915mm)，所以产量低。

针对上述问题，上世纪八十年代，美国APS和EPV公司在美国Chrona公司的六个真空室、单激发电极的设备基础上进行了改进，采用单真空室2-1，真空室2-1装一个可移式等离子箱2-2，每个可移式等离子箱内置12个激发电极2-3，可装12×4＝48片基板2-4，即生产线一批次沉积48片基板，基板的面积为635×1245mm、760×1250mm，见图2。该系统相对于Chrona公司的系统相比，简化了设备，优化了真空系统，产量也相应增大，并降低了生产成本，更适合大面积高速的基于硅基薄膜的太阳能电池的生产，但仍然存在下述问题：

一方面，由于这样的可移动式等离子箱体积很大，而所有的PECVD系统采用的加热方式为外加热方式，即加热管紧靠真空室壁面的外侧，所以靠近四周壁面的温度高，可移式等离子箱中间的温度相对较低，而在薄膜沉积的PECVD系统的真空环境中不可能用传统的方法通过鼓风机来解决上述问题。因此大型可移式等离子箱中温度的分布很难达到理想的均匀度，由于温度不均匀性导致基板之间以及同一基板不同位置所沉积膜的厚度不均匀性十分明显，这对硅薄膜材料的物理及电学参数影响很大，进一步影响太阳能电池的电性能及外观质量。

另一方面，可移式等离子箱多采用的是12个激发电极并联。可移式等离子箱中电极的大小略高于基板的大小，例如要制备635×1245mm的硅薄膜太阳电池，电极的大小一般大于650×1270mm。可移式等离子箱主要使用不锈钢材料，这样一个可移式等离子箱的重量可达到500Kg以上，由于自身过重，对于非自动连续生产，要靠手动操作，这使得可移式等离子箱在移进、移出时工人操作不方便、并存在安全隐患。

鉴于上述PECVD系统存在的问题，我们在单个真空室内，加上数个内加热器，厚度为10～30mm，将单真空室内腔变1为2或3个，但仍为同一集成真空室，一个真空室内腔装一个可移式等离子箱，所以整个真空室可装2个或3个可移式等离子箱，而1个可移式等离子箱可以装5～10个电极，即每1个可移式等离子箱可装20～40片基片，那么如装两个等离子箱，整个真空室一次可装40～80片基片，如装3个等离子箱，整个真空室一次可装60～120片基片。专门为低成本硅基薄膜太阳电池的可靠高质量生产而设计的新型PECVD系统实现了大面积、高产量、高质量、降低了生产成本。

实用新型内容

为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种结构紧凑，易操作，工作稳定，效率、质量高的可用于生产大面积硅基薄膜太阳能电池制作的带有内加热器的PECVD系统。

为此，本实用新型提供了一种带有内加热器的PECVD系统，包括带有进、出气口的真空室和置于真空室内用于镀膜的可移式等离子箱，所述真空室的外周四壁上设有用于给真空室整体进行加热的加热板，其特征在于：该系统中的可移式等离子箱至少为两个，各可移式等离子箱平行排列于真空室内，各可移式等离子箱之间设有用于使真空室内均匀受热的内加热器。

其中，所述真空室内底部设有轨道，所述可移式等离子箱底部装有滑轮，可移式等离子箱由滑轮承载并沿轨道移动。

其中，所述内加热器包括两个辐射板和夹在辐射板之间的加热管，所述两个辐射板通过支撑部件与真空室内上、下端固接，所述加热管的端部穿过法兰予以固定。

其中，所述支撑部件由卡槽和支柱组成，所述两个辐射板卡接在卡槽中，支柱与真空室内上、下端固接；所述法兰的外周沿处套接有密封圈。

其中，所述内加热器与可移式等离子箱的间距为5-12cm。

其中，所述可移式等离子箱内安装有电极：即交替放置的激发电极和接地电极，所述最外侧的两个接地电极作为侧板、其内侧承载一个基板，除了侧板以外的其余电极均各承载两个基板，各相邻的电极之间形成放电区，所述激发电极与所述可移式等离子箱的其他部位绝缘，每个激发电极均独立的由一电源和功率匹配器供能，所述电极的顶部设有一公共的喷淋板、底部设有一公共的不锈钢板，喷淋板和不锈钢板上设有孔穴，所述喷淋板的顶部设有一盖板，盖板上设有与真空室上端进气口相连通的入气口，所述可移式等离子箱的底部装有滑轮。

其中，所述激发电极的个数为N个，所述接地电极的个数为N+1个，其中N为整数且5≤N≤10。

其中，所述电源采用外置的射频电源，电源与激发电极的边缘通过屏蔽电缆连接。

其中，所述孔穴的孔径Φ为1～4mm，孔距d为10～30mm。

其中，所述基板面积为(381～1243)×(915～1778)mm，即基板宽度为381～1243mm、长度为915～1778mm。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的PECVD系统结构简单紧凑，装片、卸片、进炉、出炉易于操作，更提高了产量和产品的质量；

2、本实用新型采用独立的可移式等离子箱，避免相互之间的影响；

3、本实用新型采用1个真空室，真空室可根据需要装设多个可移式等离子箱，各相邻的等离子箱之间分别设有一个内加热器，本实用新型的PECVD系统通过对结构上的改进提高了单室一次沉积的产品的数量，大大提高了单室沉积系统的产量，并保证整个系统中温度分布的均匀性，使真空室内的大面积产品获得高度均匀的加热，从而提高了整个系统的性能。

4、本实用新型在每两个可移式等离子箱之间采用一内加热器，有利于保持可移式等离子箱内部极板的温度，使玻璃基板的温度更恒定均匀，从而达到大面积镀膜的均匀性，更提高了整个系统的稳定性；

附图说明

图1为现有技术中Chronar公司的Six-pack系统示意图，其中，1-1-真空室；1-2-加热器；1-3-可移式等离子箱；1-4-激发电极；1-5-基板；

图2为现有技术中EPV公司的一次沉积48片基板的PECVD系统的示意图，其中，2-1-真空室；2-2-可移式等离子箱；2-3-激发电极；2-4-基板；

图3a为本发明所述PEVCD系统实施例1的内部示意图(即采用两个可移式等离子箱、每个可移式等离子箱装6个激发电极的PECVD系统的内部示意图)；

图3b为本发明所述PEVCD系统实施例2的内部示意图(即采用两个可移式等离子箱、每个可移式等离子箱装8个激发电极的PECVD系统的内部示意图)；

图3c为本发明所述PEVCD系统实施例3的内部示意图(即采用三个可移式等离子箱、每个可移式等离子箱装6个激发电极的PECVD系统的内部示意图)；

图4为本实用新型所述PECVD系统中内加热器的分解示意图；

其中：1-真空室；2-可移式等离子箱；3-内加热器；4-激发电极；5-加热板；6-进气系统；7-出气口；8-电源；9-辐射板；10-加热管；11-支撑部件；11a-卡槽，11b-支柱，12-法兰；13-接地电极；14-基板；15-电缆；16-喷淋板；17-盖板；18-孔穴；19-不锈钢板；20-进气口；21-波纹管；22-入气口；23-绝缘块；24-滑轮；25-放电区；26-轨道，27-抽气系统。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的带有内加热器的PECVD系统作进一步阐述。

实施例1

本实用新型的PECVD系统采用计算机控制，如图3a所示，该PECVD系统采用单个真空室，所述真空室1为长方形不锈钢外壳体，其上端设有进气口20、下端设有出气口7，真空室的外周四壁上附有加热板5，以采用现有技术公知的电加热板为佳，所述加热板5通过机械紧固机构(例如铆钉或螺丝)与真空室的外周四壁紧密接触，以获得对真空室壁面的有效热传递，进而对真空室内的可移式等离子箱2进行均匀加热。所述进气口20用于和进气系统6连通以便向等离子箱中输入工作气体，所述出气口7用于和抽气系统27连通以便将真空室内反应后的工作气体抽走，所述进气系统6和抽气系统27均采用本领域技术人员所公知的现有技术。

真空室内平行放置有两个可移式等离子箱2，每个可移式等离子箱2的底部设有六个滑轮24，在真空室底部装有数个平行排列的轨道26，可移式等离子箱便由滑轮24承载沿轨道26推进真空室内。每个可移式等离子箱中交替安装有六个激发电极4和七个接地电极13，其中最外侧的两个接地电极作为等离子箱的侧板、其内侧承载一个基板，除了侧板以外的其余电极均各承载两个基板14，所以该例中的每个等离子箱中的电极可以承载24片基板，整个系统可以装48片基板，电极的大部分被基板覆盖，本例的基板面积635×1245mm。每个激发电极均独立的由一个射频电源8供能，屏蔽电缆15牢固的连接在激发电极的边缘上，另一端与外部配套的带有功率匹配器的射频电源相连，这种单独供电结构使激发电极之间具有容错性：即一个电路出现问题(例如短路或断路)影响射频放电时，可移式等离子箱中其它电路仍能继续工作。各相邻电极之间形成放电区25，电极的顶部装有一个带有孔穴18的公共喷淋板16，喷淋板16的顶部装有一盖板17，喷淋板16和盖板17组成半封闭的容器并通过盖板17上设置的入气口22与真空室上端的进气口20通过波纹管21相连通，电极的底部即等离子箱的底部装有一带有孔穴18的公共不锈钢板19，通过进气系统充入的混合气体经波纹管21引入可移式等离子箱中，从喷淋板上诸多孔穴18流下来，沿着放电区25流动，反应后的气体经过不锈钢板19上的诸多孔穴18，流到可移式等离子箱和真空室内壁的空间中，并通过出气口7由抽气系统27排出真空室。激发电极与喷淋板16和不锈钢板19之间均安装有聚酯绝缘快23以实现激发电极与可移式等离子箱2之间的绝缘。

本实用新型的关键是应用了一个放置于真空室中任两个可移式等离子箱中间的内加热器3，其与真空室外部加热板5共同实现对真空室内的均匀加热。本例中在两个可移式等离子箱2的中间安装一内加热器3，其尺寸为1500×950×20mm，加热功率3000瓦，所述等离子箱2和内加热器3均垂直于真空室底部放置。

如图4所示，所述内加热器3主要由两个辐射板9、位于辐射板之间的U型加热管10及支撑部件11构成，所述支撑部件11由卡槽11a和支柱11b组成，两个辐射板卡接在卡槽中，支柱与真空室的内部上、下端固接。U型加热管10通过圆形不锈钢法兰达到固定，法兰的外周沿处套设有密封圈12，通过法兰和密封圈的结构实现了U型加热管与真空室外部供电装置(220V)的连接，U型加热管10的功率为3000W，通过热辐射对两边加热体进行均匀加热，并使真空室内的大面积样品获得高度均匀的加热。内加热器与可移式等离子箱的距离要适中，不能太远或太近，太远必将影响真空室的利用率和加热装置的热利用律，距离一般在5～12cm范围内，最好为8cm或者9cm。这种加热方式使得单室中通过增加可移式等离子箱个数进而增加基片数量的情况下，不影响整个真空室温度分布的均匀性和成膜质量。内加热器的使用实现了高产量、低设备成本的生产，降低了温度分布的不均匀性又提高了硅基薄膜器件的质量。

下面对本实用新型的PECVD系统的操作过程说明如下：

第一步，激光刻化后的镀有二氧化锡膜的玻璃基板，经超声清洗干燥后，装入可移式等离子箱中，由输运车推入预热炉预热，用于沉积PIN薄膜前预热玻璃基板，预热炉烘烤温度可调，PID温控调节，预热温度一般设置为160～260℃。

第二步，将预热到指定温度的两个可移式等离子箱2，由输运车传送到PECVD系统的不锈钢真空室1前，可移式等离子箱便由滑轮24承载沿轨道26推进真空室。将激发电极4和屏蔽电缆15连接好，将可移式等离子箱上端的入气口22通过软的波纹管21的快速插头和真空室上端的进气口20相连，关闭真空室的密闭门，拧紧密封手轮。利用抽气系统27进行抽气，直到所有管路和真空室达到一定的真空度，同时，真空室外部加热板5和内加热器3同时工作，真空室各区域包括可移式等离子箱在很短时间内将升到预定的加热温度，一般为150～250℃。

第三部，在等离子箱中通过沉积处理以形成太阳能电池的P、I及N光电层。首先利用进气系统6将混合气体通入等离子箱内，混合气体在放电区25分解。沉积PIN层前，首先通入氩气并放电，氩气放电的目的主要有两个，一是对真空室进行清洗，特别是对玻璃基板，二是对玻璃基板的等离子轰击使其表面形成活性层，有利于硅基薄膜沉积在上面。然后依次通入制备P层、I层、N层的工艺气体，在玻璃基板上依次沉积P、I、N层，在每层沉积后，均用Ar气对真空室进行多次清洗，借以防止残留掺杂剂的交叉污染。

第四步，在完成一个P、I、N光电层之后，如果有需要，可再进行一次或两次PIN层的沉积，分别形成双结或三节叠层硅基薄膜太阳电池，此时第二或第三个结的本征层可做成a-Si、a-SiGe、μc-Si、poly-Si、nc-Si等，扩大硅基薄膜太阳电池的光谱吸收范围，提高电池转换效率和稳定性。第二或第三结所用工艺气体和工艺参数根据需要而改变，沉积时重复第三步操作。

第五步，镀完膜后，再次用进气系统对真空室内充入Ar气进行多次冲洗，然后再冲入氮气N₂至一个大气压，开启真空室的密封门，用输送车将在轨道上放置的两个可移式等离子箱从真空室取出，自然冷却到室温，进入下一道工序。同时新预热好的下一批基板进入真空室重复执行以上操作过程。

实施例2

本例所述的PECVD系统的结构和操作过程基本同实施例1，唯有不同的在于：

如图3b所示，本例所述的PECVD系统采用单个真空室，真空室中平行放置两个可移式等离子箱，每个可移式等离子箱有8个激发电极，可以承载32片基板，整个系统可以装64片基板，基板面积381×1270mm，两个可移式等离子箱的中间有一个内加热器，加热装置的尺寸为1500×760×20mm，加热功率3000瓦。

实施例3

本例所述的PECVD系统的结构和操作过程基本同实施例1，唯有不同的在于：

如图3c所示，本例所述的PECVD系统采用单个真空室，真空室中平行放置三个可移式等离子箱，每个可移式等离子箱装6个激发电极，可以承载24片基板，整个系统可以装72片基板，基板面积635×1245mm，任两个可移式等离子箱的中间有一个内加热器，整个系统中共两个加热器，加热器的尺寸为1500×950×20mm，每个加热装置的加热功率3000瓦。

本实用新型的涉及到一个单室、多个可移式等离子箱并利用内加热器的PECVD系统，可以提高单室产量、降低生产成本、简易操作、提高制造的硅基薄膜光伏电池的质量。

本实用新型的PECVD系统，与现有技术有很大的区别。根据本实用新型的设计，使得PECVD系统操作更简单易行，真空室温度分布均匀性大大提高，从而使大面积成膜速率更均匀，是一种低成本的大型硅基薄膜太阳电池生产设备。这种高生产力和低维修率的制造设备可以持续、可靠、简单的制造低成本、高性能的硅基薄膜太阳能电池。这对于大规模提高硅基薄膜光电器件(特别是非晶硅太阳能电池)的质量和生产效率具有重大的意义。

应当指出，对于本实用新型来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本实用新型的说明，而不是对于本实用新型的限制。总之，本实用新型的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (10)

1、一种带有内加热器的PECVD系统，该系统包括带有进、出气口(20、7)的真空室(1)和置于真空室内可移式等离子箱(2)，所述真空室的外周四壁上设有加热板(5)，其特征在于：该系统中的可移式等离子箱(2)至少为两个，各可移式等离子箱(2)平行排列于真空室内，各可移式等离子箱之间设有用于使真空室内均匀受热的内加热器(3)。

2、如权利要求1所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述真空室(1)内底部设有轨道(26)，所述可移式等离子箱(2)底部装有滑轮(24)，可移式等离子箱由滑轮承载并沿轨道移动。

3、如权利要求1所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述内加热器(3)包括两个辐射板(9)和夹在辐射板之间的加热管(10)，所述两个辐射板通过支撑部件(11)与真空室(1)内上、下端固接，所述加热管(10)的端部穿过法兰(12)予以固定。

4、如权利要求3所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述支撑部件(11)由卡槽(11a)和支柱(11b)组成，所述两个辐射板卡接在卡槽中，支柱与真空室(1)内上、下端固接；所述法兰的外周沿处套接有密封圈。

5、如权利要求1或3所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述内加热器(3)与可移式等离子箱(2)的间距为5-12cm。

6、如权利要求1所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述可移式等离子箱(2)内安装有电极：即交替放置的激发电极(4)和接地电极(13)，所述最外侧的两个接地电极作为侧板、其内侧承载一个基板(14)，除了侧板以外的其余电极均各承载两个基板(14)，各相邻的电极之间形成放电区(25)，所述激发电极(4)与所述可移式等离子箱的其他部位绝缘，每个激发电极均独立的由一电源(8)和功率匹配器供能，所述电极的顶部设有一公共的喷淋板(16)、底部设有一公共的不锈钢板(19)，喷淋板和不锈钢板上设有孔穴(18)，所述喷淋板的顶部设有一盖板(17)，盖板上设有与真空室上端进气口(20)相连通的入气口(22)，所述可移式等离子箱的底部装有滑轮(24)。

7、如权利要求6所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述激发电极(4)的个数为N个，所述接地电极的个数为N+1个，其中N为整数且5≤N≤10。

8、如权利要求6所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述电源(8)采用外置的射频电源(8)，电源与激发电极(4)的边缘通过屏蔽电缆(15)连接。

9、如权利要求6所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述孔穴(18)的孔径Ф为1～4mm，孔距d为10～30mm。

10、如权利要求6所述的带有内加热器的PECVD系统，其特征在于：所述基板(14)面积为(381～1243)×(915～1778)mm。

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