CN204039494U - 形成光电器件薄膜的真空设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及真空镀膜技术领域，特别是一种形成光电器件薄膜的真空设备；包括多个真空腔体，至少有2个真空腔体内设置有阴极和阳极，阴极和阳极平行相对设置，阴极、阳极之间连接有高频电源，阴极上设置有复数个用于输送成膜气体的送气孔和2个以上的排气孔，每个送气孔内设置有送气管，送气管与设置在阴极背面的送气筒相连通，送气筒用于输送稀释气体，送气筒内设置有热触媒；由于利用热触媒加热稀释气体，激活、分解了气体，形成了更多的H原子，减少了由于PECVD中加热成膜气体形成高阶硅烷气体，降低薄膜质量的问题，利用本实用新型形成的薄膜由于损伤小、质量高，因此，其转换效率也高。

Description

形成光电器件薄膜的真空设备

技术领域

本实用新型涉及真空镀膜技术领域，特别是一种形成光电器件薄膜的真空设备。

背景技术

半导体集成电路、太阳能电池、液晶显示器等几乎所有电子器件中大多由厚度很薄的薄膜集成。该薄膜的特性决定着电子器件的特性。为了不损伤下层薄膜，形成这种薄膜时，要求温度在500℃以下，特别是使用玻璃、塑料基板的器件，工艺温度要求在300℃以下，因此，在加热气体时，不能距离基板的距离太近，不能使基板的温度太高，否则会引起基板产生应力发生变形等问题，更重要的是会因温度太高产生器件特性变化，因此，形成器件的设备显得越发重要。

高质量、高速度的薄膜沉积技术与设备是实现高性能、低成本制造各种薄膜器件中在不可缺少的要素，特别是在光电转换器件中，具有代表性的硅薄膜太阳能电池制造中，要求硅薄膜具有高质量、能够高速度完成制作，同时要求能在大面积上沉积薄膜、而且要具有高生产效率。

迄今为止，光电器件中形成半导体器件时，使用的设备一般使用等离子体增强化学气相沉积(简称PECVD)设备，PECVD是在减压到100Pa左右的状态下，原料气体在等离子中，与被加速的电子相撞击使之分解。也就是说，气体在接近真空的空气稀薄三维空间中，通过气体分子和电子之间点对点的碰撞，形成薄膜的。

针对大家所知道的硅薄膜低温制作方法大致分由PECVD法制作而成的，主要用于氢化非晶硅薄膜、晶硅薄膜的形成。

在PECVD中，为了实现高速成膜，通过增大等离子电力，促进硅烷气体和氢气的分解，要增大等离子电力，不外乎是提高等离子中的电子温度T_e(等离子电势V_p与T_e是成正比例也随之增大)，相反，增大了对薄膜表面的离子撞击，增大了生成SiH₂的生成速度，从而，促进了高阶硅烷的生成，最终会促进粉末的生成，在此所述的高阶硅烷，以Si_nH_m的气体分子式表示，n最多会上升到5。但是，并不是说不存在n上升到更大后的Si_nH_m气体分子。当与气体中存在的SiH₂气体分子发生聚合反应后，特别是在等离子中，若使正离子和负的带电分子反复进行合并反应的话，会生成数十nm等级大小内的簇、或大于该尺寸的颗粒(称为粉末)。当然，生成的这些簇以及粉末对于高质量的薄膜而言，是一种不利因素，得不到高质量的薄膜，会影响到器件的性能。

取代增大等离子电力的方法还有提高等离子激励频率数的方法，使用高于VHF的频率，通过降低等离子势能V_p减少离子之间的相互撞击，对提高氢化非晶硅、结晶薄膜的高效化具有一定的效果要形成结晶硅需要充分的氢原子，但是，不管使用哪个VHF频率，只要达到一定的成膜速率，最终也难以避免增大等离子电力，因此，也避免不了上述的问题出现。因此，作为不提高等离子电力、提高氢原子的方法有提高氢原子的稀释度，也就是增大H₂/SiH₄的气体流量，但是，这样会降低SiH₄气体的分压，反而与高速成膜的目的背道而驰，最终，还得提高等离子电力、促进SiH₄气体的分解，同样，也难以回避上述的问题。作为增大等离子电力，降低等离子键撞击的方法是提高薄膜沉积压力，但是，一旦沉积压力提高后，会因分子密度的增大，导致反应生成高阶硅烷，这也是引起粉尘等降低薄膜质量的原因，因此，要解决这个问题是比较困难的。

另外，Cat-CVD方法同样是在减压空间状态下，原料气体分子与由致密原子构成的固体材料表面相撞击，利用接触反应分解形成薄膜。也就是说Cat-CVD方法是点与面的撞击。因此，Cat-CVD法中气体分子分解效率、即原料气体的利用效率远远大于PECVD法(一般在5倍到10倍之间)。仅仅这一点，在制造原料气体消耗大的大面积太阳能电池和液晶显示器制造中，具有很重要的意义。由于集成薄膜的分解，产生的自由基量很大，因此，能够增大薄膜形成速率，提高生产效率。由于没有利用等离子，因此，从原理上讲，不存在PECVD法中所述因离子轰击产生微小粉末的问题。

另外，在Cat-CVD法中，因为完全不利用等离子，所以，就不会因等离子中的离子对基板造成损伤，也不会由于电荷原因对下层器件造成伤害。因此，Cat-CVD法主要用于半导体器件的制作以及由于担心下一层绝缘体中过多的电荷会造成损害的一些超微细硅集成电路制作中。

在Cat-CVD法中，由于没有使用等离子，从原理上讲不存在上述等离子轰击问题，也很少产生粉状物，由于促进了氢原子的产生，因此，能够比较容易地产生结晶硅薄膜。在大面积沉积方面从原理上讲，也没有受到限制，因此，近年来，该技术突然受到业界的高度关注。但是，由于热触媒的辐射，无法避免提高基板温度，不能很容易地形成高质量的稳定薄膜。另外，由于受到热触媒的加热分解，很难避免产生硅原子。但是，硅原子是高质量硅薄膜中不希望出现的成分，所以，很难高速形成高质量的结晶硅薄膜。

利用PECVD制作的薄膜，由于原料气体中含有氢原子10at％以上，会使薄膜变弱，特别是会引起特性衰减。而Cat-CVD法即使使用相同的原料气体，在薄膜中只存在着低于3at％氢原子.由于这个原因制作的薄膜很致密，具有耐化学，抑制水、杂质等渗透的特性，形成的薄膜作为表面保护膜居于良好的特性。另外，利用这种方法制作的薄膜，其特性非常稳定。

Cat-CVD(Catalytic Chemical Vapor Deposition＝触媒化学气相沉积)法，薄膜器件中在不可缺少的要素，特别是在光电转换器件中，具有代表性的硅薄膜太阳能电池制造中，要求硅薄膜具有高质量、能够高速度完成制作，同时要求能在大面积上沉积薄膜、而且要具有高生产效率。另外，在该方法中，极大地促进了氢原子的生成，因此，具有很容易形成结晶的Si薄膜的优势。

然而，原因是由于热辐射，提高了薄膜表面的温度，促进了高阶硅烷生成，目前，尚没有确立从根本上改善这种现象的方法。原因是当SiH₄气体利用触媒分解后，生成H原子和Si原子，尽管H原子非常适合形成硅薄膜，但是，不能期待利用Si原子形成高质量的硅薄膜，因为Si原子在气相中，会与气体中的H、H₂等发生反应，生成SiH和SiH₂游离基，同样不会期待形成高质量的硅薄膜。针对上述的问题，日本专利申请号2000-130858的专利中，公开了在内装热触媒的阴极型PECVD设备的基本结构。也就是说，在等离子CVD设备中，在产生等离子的区域上侧的气体流经位置，设置由钨或钽等金属构成的触媒(热丝)，或在不同的气体流经位置设置不同的热触媒、或者只在氢气流经位置设置热触媒，然后在气体喷淋以后进行气体混合。但是，还存在着确保膜厚均匀分布、控制活性氢气密度的方法、隔断热辐射方法等课题需要解决。

如上所述，在薄膜型光电器件中，从大面积应用考虑,如：多晶硅和微晶硅薄膜在太阳能电池、大屏幕平面显示等光电器，目前采用和研究较多的制备方法主要是PECVD技术，这种技术在非晶硅(a-Si：H)的制备方面发展成熟,优点是可进行大面积沉积、成膜比较均匀，但存在高功率下产生离子损伤不利于薄膜晶化，薄膜沉积速率比较低的缺点。相对于PECVD而言，热丝化学气相沉积(HWCVD)是一种较新颖的技术，高温热丝使得反应气体充分分解，沉积速率高，同时，提供大量高能量原子H，有利于晶化。但是，在沉积速率过高的情况下，薄膜中形成微空洞，在空气中容易氧化。

实用新型内容

本实用新型针对目前在大型基板上难以高速度形成长寿命、转换效率衰减小、高质量、均匀化薄膜的问题而提供的一种形成光电器件薄膜的真空设备。

为达到上述功能，本实用新型提供的技术方案是：

一种形成光电器件薄膜的真空设备，包括多个真空腔体，至少有2个所述的真空腔体内设置有阴极和阳极，所述阴极和所述阳极平行相对设置，所述阴极、所述阳极之间连接有高频电源，所述阴极上设置有复数个用于输送成膜气体的送气孔和2个以上的排气孔，每个所述送气孔内设置有送气管，所述送气管与设置在所述阴极背面的送气筒相连通，所述送气筒用于输送稀释气体，所述送气筒内设置有用于对稀释气体进行加热的热触媒。

优选地，所述阳极和所述阴极在所述真空腔体内竖立相对设置，基板放置在所述阳极的正反两面附近。

优选地，所述送气孔的供气口到所述基板的距离小于所述排气孔的排气口到所述基板的距离。

优选地，所述热触媒的温度在300℃～2000℃之间。

优选地，复数个所述的送气孔均匀地设置在所述阴极上，两个相邻的送气孔之间的距离不大于8mm。

优选地，所述送气孔的气体总流量大于所述排气孔的气体总流量。

优选地，所述热触媒的温度在500℃～1900℃之间。

优选地，两个相邻的所述送气孔之间的距离不大于6mm。

优选地，所述阴极固定安装在所述真空腔体内，所述阳极固定在小车上，所述小车与所述真空腔体之间设置有直线导轨。

优选地，所述的形成光电器件薄膜的真空设备还包括一真空搬运腔，所述真空搬运腔内设置有搬运机械手，所述真空腔体与所述真空搬运腔相连接。

本实用新型的有益效果在于：由于利用热触媒加热稀释气体，激活、分解了气体，形成了更多的H原子，减少了由于PECVD中加热成膜气体形成高阶硅烷气体，降低薄膜质量的问题，由于本实用新型在阴极背面设置了内置热丝的稀释气体送气筒，不会对玻璃基板形成过热问题，非SI非C气体和成膜气体在供气口混合反应形成薄膜的，并及时通过排气口将反应后气体排出，降低了高阶硅烷的形成，特别是能够快速地形成结晶硅或微晶硅薄膜，大幅度地提高了生产效率，利用本实用新型形成的薄膜由于损伤小、质量高，因此，其转换效率也高；另外，可利用多个真空腔体分别形成不同薄膜，通过合理的搭配，可大幅度提高产品的生产效益。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为真空腔体中阳极和阴极的剖面示意图；

图3为阴极上设置供气气路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至附图3对本实用新型作进一步阐述：

如图1和图2所示的一种形成光电器件薄膜的真空设备，包括7个真空腔体100、1个搬运通道603和1个真空搬运腔602。真空腔体100和搬运通道603与真空搬运腔602固定连接。真空搬运腔602的中部设置有搬运机械手601，搬运机械手601分别向多个真空腔体100中传递基板103；搬运通道603的两端分别连接着一个保持内部真空度不被降低的真空侧门606和大气侧门607，真空侧门606和大气侧门607在搬运基板103过程中，不能同时开放，否则会降低内部真空度，影响产品质量。

如图2所示，至少有2个真空腔体100内设置有阴极102和阳极101，阴极102和阳极101平行相对设置，阴极102、阳极101之间连接有高频电源，阴极102上设置有复数个用于输送成膜气体的送气孔105和2个以上的排气孔107，每个送气孔105内设置有送气管401，送气管401与设置在阴极102背面的送气筒402相连通，送气筒402用于输送稀释气体，送气筒402内设置有热触媒403。在本实施例中，阳极101和阴极102在真空腔体100内竖立相对设置，基板103放置在阳极101的正反两面附近，阳极101固定安装在小车009上，小车009带动基板103在真空腔体100、搬运通道603和真空搬运腔602之间移动。

本实用新型使用的气体大致分为两种，一种是分子式中含有Si或C的Si或C系列原料气体，如：SiH₄、Si₂H₆、Si₃H₈、SiF₄、SiCl₄、SiCl₂H₂和不含有Si或C的非Si或C系列的稀释气体，如：H₂、N₂、He、Ar、Ne、Xe等气体，这两种气体是分别单独送进的，前者含有Si或C的Si或C的成膜气体，以下以SiH₄为代表，不含有Si或C的非Si或C系列的稀释气体，以下以H₂为代表，进行说明。稀释气体利用送气筒402内设置的热触媒403进行加热、激活，然后，与含Si或C系列成膜气体在等离子空间111中混合后，快速地形成薄膜。也就是说，在高频状况下使成膜气体变成增强型等离子，利用热触媒403加热、分解稀释气体后，在供气口混合，因此即使是在高速成膜条件下，也能够很容易的形成结晶性高、质量优的结晶硅薄膜。

具体而言：通过单独自由控制热触媒403对H₂进行加热、激活，与单独自由控制的SiH₄在高频条件下形成等离子的气体混合，从而避免了利用热触媒403产生不期望生成的游离基，由于该热触媒403加热是在阴极102背面设置的送气筒402进行，可避免热触媒403直接辐射到基板103上，从而避免了薄膜表面温度的提升问题，还抑制了热触媒403的副作用即气体加热效应在气体中产生的高阶硅烷反应，因为SiH₂气体的插入反应，生成高阶硅烷的反应是发热反应，且气体加热效应会使气体温度上升，对生成高阶硅烷具有抑制作用。

阴极102上送气孔105的供气口1051到基板103的距离小于排气孔107的排气口1071到基板103的距离，通过使用接近于基板103的供气口1051供气以及距离基板103较远的排气口1071排气，实现在大面积基板103上生成均匀膜厚、均匀膜质的薄膜。利用本实用新型，能够在边长为1400×1100米的基板103上高速度、高质量地形成均匀膜厚分布、均匀膜质的薄膜。

热触媒403至少表面是由金属材料制成，该金属材料是由高熔点的钽、钨、铼、锇、铱、铌、钼、钌、铂等金属中的一种为主要成分构成，热触媒403403通常使用丝状的金属材料。此外，当热触媒403在金属材料上沉积薄膜时，如果热触媒403中含有掺杂材料时，在薄膜沉积前，提前利用高于沉积温度的温度，对热触媒403进行几分钟预热处理，能够有效地降低杂质。

热触媒403设置在稀释气体送气筒402内，在送气筒402的两端，设置有绝缘密封盖，热触媒403穿过密封盖的中心，密封盖旁设置输送非Si或非C稀释气体的进气孔，送气筒402内为中空状态。

需要说明的是，尽管图3中送气筒402是横向设置的，但是，在实际使用过程中，我们也可以根据需要采用纵向设置。

输送稀释气体的送气管401设置在送气孔105的中间，送气管401周围可以通过分子式中含有Si或C的成膜气体，送气管401长度不超过供气口1051，这样更有利于气体混合。

尽管上述非C、非Si气体是利用热触媒403加热后、送到等离子空间111中的，但是，一部分气体经加热后会分解、激活，这与热触媒403的温度成正比例。例如，氢气气体尽管有压力原因，但是，当热触媒403的温度超过1000℃左右时，因分解反应生成氢原子。该氢原子如上所述，具有促进结晶化的效果。即使热触媒403的温度在低于1000℃的温度条件时，生成的氢原子不是很明显，结晶度促进效果也没有希望的那样好，但是，通过使用热触媒403的副作用，即：通过对气体的加热，能够抑制产生高阶硅烷的生成反应，也对形成高质量的氢化非晶硅具有一定的效果。热触媒403的温度最低也得达到300℃以上，更希望在500℃以上，以得到更好的效果。通过将热触媒403的温度提升到500℃以上，气体加热效果会非常明显。另外，最高温度希望在2000℃以下，最好在1900℃以下。在1900℃以上的温度下，会从热触媒403和周边部件中产生杂质气体，也会产生热触媒403材料自身的蒸镀等问题。

本实施事例中，在阴极102上设置了多个送气孔105，在送气孔105之间均匀地设置了多个排气孔107。相邻的送气孔105之间的距离在8mm之内，如果大于8mm，送气孔105的供气口1051之间形成的集中电场连接处就会变弱，因此产生的等离子就会比较弱，难以保证在基板103上形成均匀的薄膜。为了得到更加均匀的薄膜，相邻的送气孔105之间的距离最好在6mm之内。

在本实用新型中，当竖立设置的阳极101附近承载有基板103的小车从真空腔体100的入口进入真空腔体100的深处定位后，因为阳极101竖立设置，阳极面和重力方向大致平行。当基板103使用玻璃基板时，由于玻璃基板可以在竖立的状况下进行搬运，因此玻璃基板不仅不会产生下弯的现象，而且便于操作。

由于本实用新型的阳极101和阴极102采用竖立式设置，因此一个阳极101上可以设置两个基板103，是传统的水平设置数目的2倍，设置2个阳极101就能够设置4片基板103，随着阳极101设置数目的增多，基板103的数量与水平设置基板103的数目相比，会成倍地提高，因此，竖立设置基板103的方式能够大幅度地提高生产效率。

阳极101内设置有加热器104，加热器104能够将设置在阳极101的附近的基板103利用辐射加热，使基板103保持恒定的温度，阳极101内设置的加热器104利用温度控制器(图中未标出)进行控制，温度控制器根据对基板103的检测温度，对加热器104的温度进行控制，使基板103的温度保持在一定温度范围内，这样能够确保成膜温度的稳定，有利于形成均匀膜厚和均匀膜质的薄膜。基板103利用基板夹具109将基板103固定。

供气口1051距离基板103的距离小于排气口1071距离基板103的距离。由于成膜气体要在真空腔体100内的气体之间进行反应，在基板103上要生成薄膜，因此，送气孔105的气体流量要大于排气孔107的气体流量，供气口1051端面要尽量小，也就是说，所有供气口1051的面积要大于排气口1071的面积，这样才能保持稳定的气体反应，同时通过合理地配置排气泵，避免能源浪费。

在本实施事例中，阴极102表面上均匀地设置的两个以上排气孔107，排气孔107与排气气路108相通，同样，阴极102的表面均匀地设置了多个送气孔105，送气孔105与供气气路106相通，当本实用新型利用真空泵(图中未标出)将真空腔体100抽真空后，在高真空的环境下下，在阴极102和阳极101之间施加高频电源，形成了电场，在阴极102的供气口1051的端部会形成电场集中现象效应，在电场作用下，电子和气体分子碰撞，稀释气体利用热触媒403加热后气体分离，在供气口1051附近与成膜气体混合，形成产生等离子的起点，送进的气体被加热激励，在等离子空间111中产生辉光放电，在基板103上沉积一层薄膜。

在沉积薄膜时，由于稀释气体如：氢气被加热触媒403加热和分解，在很短时间内，可以激活成膜气体如：硅烷，能够在短时间内形成等离子体，供气口1051的压差大于等离子空间111的压差，同时，距离基板103较远的阴极102上排气口1071与排气真空泵(图中未示出)相连，因此，反应后的气体会及时地被新送入的气体排挤到距离基板103远的一侧，也就是说反应过后的气体会被及时地排挤到阴极102的排气口1071的附近，最后会被真空排气泵通过排气气路108从排出口及时排出设备外进行相应的处理。这种结构的阴极102能够避免反应后气体如SiH₂等与硅烷气体的再次反应，生成高阶硅烷(Si_nH_m)气体。抑制了反应后气体的反复反应，减少或排除了生成薄膜中不希望出现的高阶硅烷等形成薄膜，降低了由于高阶硅烷等生成的粉末或薄膜，提高的薄膜的质量，避免了由于高阶硅烷等造成的光致衰减现象，从而能够进一步提高光电转换器件的转换效率。为了进一步提高成膜质量，供气口1051高出电极。

尽管利用至少2个排气口1071能够排除掉反应后气体，但是，为了尽可能地使基板103表面存在均匀的气体质量，或均匀的气体分布，均匀地将反应后气体及时排除是保证产品质量的原因之一，因此，最好在阴极102上均匀地设置多个排气口1071。排气口1071之间的距离最好在8cm以内，更希望在6cm以内。

由于产品的大型化，不利于基板103的单独搬运，为了能够方便的将基板103设置在阳极101附近，在本实施例中，阳极101固定安装在小车009上，与小车009成为一体，阴极102固定设置在真空腔体100内，小车009的底部设置有直线导轨112，使小车009能够在真空腔体100内外之间移动。这样便于从真空腔体100外部将基板103设置阳极101附近，在生产过程中，一般通过机械手、或专用的装载机械将基板103送入小车009。为了防止给基板103表面或基板103表面的薄膜带来损伤，本实用新型中，基板103和阳极101之间没有直接接触，而是利用阳极101上下部分设置的基板夹具109固定基板103，从而减少了一些不必要的接触，防止了产品的划伤等缺陷。

真空腔体100内部固定着阴极102，阴极102上的供气气路106和排气气路108分别与设备外的相应气路连接，排气气路108与排气真空阀(图中未示出)相连接，小车009进入真空腔体100内后，基板103和阴极102处于相对且平行状态，利用阳极101内设置的加热器104辐射，使基板103均匀地受热，阳极101、阴极102分别连接着高频电源，在抽真空状态下，进行薄膜沉积。

阴极102的供气气路106的进气口上，设置有多个气体入口，连接着至少2个导气管(图中未示出)，导气管将成膜所需气体送至阴极102，在阴极102的供气气路106中一边流动一边混合，最后从供气口1051喷出。

以上所述实施例，只是本实用新型的较佳实例，并非来限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种形成光电器件薄膜的真空设备，包括多个真空腔体，其特征在于：至少有2个所述的真空腔体内设置有阴极和阳极，所述阴极和所述阳极平行相对设置，所述阴极、所述阳极之间连接有高频电源，所述阴极上设置有复数个用于输送成膜气体的送气孔和2个以上的排气孔，每个所述送气孔内设置有送气管，所述送气管与设置在所述阴极背面的送气筒相连通，所述送气筒用于输送稀释气体，所述送气筒内设置有用于对稀释气体进行加热的热触媒。

2.如权利要求1所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：所述阳极和所述阴极在所述真空腔体内竖立相对设置，基板放置在所述阳极的正反两面附近。

3.如权利要求1所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：所述送气孔的供气口到所述基板的距离小于所述排气孔的排气口到所述基板的距离。

4.如权利要求1所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：所述热触媒的温度在300℃～2000℃之间。

5.如权利要求1所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：复数个所述的送气孔均匀地设置在所述阴极上，两个相邻的送气孔之间的距离不大于8mm。

6.如权利要求1所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：所述送气孔的气体总流量大于所述排气孔的气体总流量。

7.如权利要求4所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：所述热触媒的温度在500℃～1900℃之间。

8.如权利要求5所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：两个相邻的所述送气孔之间的距离不大于6mm。

9.如权利要求1至8任意一项所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：所述阴极固定安装在所述真空腔体内，所述阳极固定在小车上，所述小车与所述真空腔体之间设置有直线导轨。

10.如权利要求1至8任意一项所述的形成光电器件薄膜的真空设备，其特征在于：所述的形成光电器件薄膜的真空设备还包括一真空搬运腔，所述真空搬运腔内设置有搬运机械手，所述真空腔体与所述真空搬运腔相连接。