CN100510169C

CN100510169C - 一种可获得均匀电场的大面积vhf-pecvd反应室电极

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Publication number: CN100510169C
Application number: CNB2007101502274A
Authority: CN
Inventors: 赵颖; 张晓丹; 葛洪; 任慧志; 许盛之; 张建军; 薛俊明; 魏长春; 侯国付; 耿新华; 熊绍珍
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2027-11-19
Also published as: CN101187014A

Abstract

本发明公开了一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极。它包括功率电极板和功率馈入端口，所述功率电极板在功率电极面与功率电极馈入端口之间，设有电极槽。应用本发明的这种电极可获得具有均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室。本发明通过优化大面积甚高频功率源馈入方式、电极结构等，解决大面积电极板电位分布均匀性，是研发大面积VHF-PECVD薄膜沉积和刻蚀***的基础，这种刻槽式电极利用电极功率馈入端口沟槽分布改变电极表面电流的分布，可以抑制电极馈入端口附近电势的对数奇点效应。

Description

一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极

【技术领域】

本发明涉及硅薄膜太阳电池和平板显示领域中的薄膜晶体管矩阵技术领域，特别是一种等离子体增强化学气相沉积或等离子体刻蚀反应室的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室的电极设计。

【背景技术】

近年来，已有报道应用甚高频(VHF)技术到PECVD的方法可以增加薄膜的沉积速率，并且研究结果表明：VHF-PECVD完全适合微晶硅薄膜和非晶硅薄膜的高速沉积。然而，VHF-PECVD的应用研究通常是在小尺寸PECVD反应室中进行的，因而并不能直接应用于大规模工业生产中。射频电容耦合平行板电极反应室被广泛用于非晶硅薄膜、二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜的等离子增强化学气相沉积或者薄膜刻蚀；面积超过1m²的矩形PECVD反应室被用来生产光伏太阳电池以及用于大面积平板显示器的薄膜晶体管矩阵。这些工业应用对薄膜厚度的不均匀性要求较高。总体上，这些反应室用标准13.56MHz激发频率来驱动，但人们对使用更高的频率(甚高频技术，VHF)有浓厚的兴趣。采用VHF激发等离子体，能够减小等离子体鞘层厚度和电压从而降低电子温度、降低轰击衬底的离子能量，增大了输送到生长表面的离子流量，既能提高沉积速率又能增大薄膜中晶粒的颗粒尺寸，并且与常规的非晶/微晶硅薄膜太阳电池制备工艺具有良好的技术兼容性。因此，人们对VHF-PECVD在工业上的应用产生很大的兴趣。

在射频平行板反应室中沉积或刻蚀的过程中，许多因素可以导致薄膜横向生长非均匀性的产生。这包括基底和电极的非理想接触、基底的几何形状、不恰当的气体流量分布、等离子体中存在粉尘颗粒污染、电极的不对称，以及各种静电学和电磁场效应等。考虑到等离子体的参数和反应室的设计，这些效应在各种激发频率下均有显著的影响，但通常通过反应室的合理设计和适当的工艺参数调整可以得到部分或全部解决。然而，随着应用于大面积反应室的激发频率提高时，在传统的电容耦合平行板电极(如图2所示)反应室(如图1所示)或应用梯型电极的反应室中，驻波效应和功率馈入连接端附近的电势对数奇点效应严重影响了电势分布的均匀性。考虑到由于等离子体的存在所引起的波长衰减或恶化效应，当反应室的尺寸大约是处于激发频率下自由空间中的波长λ₀(在13.56MHz下λ₀/4＝5.53m，在100MHz时仅为0.75m)的四分之一时，驻波非均匀性已经变得重要。要想得到均匀的等离子体来实现均匀的沉积或刻蚀，必须对反应室(主要是其中的电极)进行合理的设计来改善反应室中电场分布的均匀性。因此，获得电场均匀的大面积VHF-PECVD电极设计，具有重要的现实意义和应用价值。

【发明内容】

本发明的目的旨在解决现有技术的问题，而提供一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，该电极可以为获得实用化的大面积VHF-PECVD反应室，提供电场均匀的电极设计方案，进而促进低成本硅薄膜太阳电池的产业化进程。

本发明为实现上述目的设计了一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极。它包括功率电极板和功率馈入端口，其特征在于所述功率电极板在功率电极面与功率电极馈入端口之间，设有电极槽。

所述功率电极板的功率电极面可以是单面或双面的。

所述功率馈入端口可以为两端、四端、六端或八端相对对称设置在功率电极的与电极平面垂直的两个侧面或四个侧面上。

所述功率馈入端口可以为点接触式、线接触式或面接触式等形式馈入。

所述电极槽可以是并列的一条或多条。

所述电极槽可以在空心功率电极板的壁厚内是贯通的。

所述电极槽可以在实心功率电极板内和空心功率电极板的壁厚内是呈矩形、弧形或三角形等形状的断面形状。

所述功率电极板在同侧有两个或两个以上功率馈入端口时，所述电极槽相对各功率馈入端口是分别对应的，或是相连的。

本发明应用这种电极可获得具有均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室，所述反应室的组成包括：接地反应室，功率电极，接地电极，衬底，功率传输线与功率馈入端口，所述功率电极板在功率电极面与功率电极馈入端口之间，设有电极槽。

本发明的有益效果是：通过优化大面积甚高频功率源馈入方式、电极结构等，解决大面积电极板电位分布均匀性，是研发大面积VHF-PECVD薄膜沉积和刻蚀***的基础，可有力推动硅薄膜电池和薄膜晶体管矩阵技术产业化进程。本发明的刻槽式功率电极可以在任意激发频率和任意面积大小的PECVD反应室中采用。这种刻槽式电极利用电极功率馈入端口沟槽分布改变电极表面电流的分布，可以抑制电极馈入端口附近电势的对数奇点效应。总之，本发明刻槽式电极结构的技术方案区别于采用背面功率馈入避免端口附近的电势奇点效应的技术方案，突破了常规技术方案限制，利用基本的电磁场理论和电极结构设计知识，达到改善电场分布均匀性的目的。

【附图说明】

图1为传统大面积VHF-PECVD反应室结构示意图；

图2为传统大面积平行板电极功率馈入示意图；

图3为刻槽式大面积平行板电极PECVD反应室示意图；

图4为刻槽式大面积平行板电极功率馈入示意图；

图5为一组两端对称槽式电极结构示意图；

图6为一组两端对称槽式电极间真空电场分布理论计算结果；

图7为点接触式馈入端口、间断多槽式电极结构示意图；

图8为点接触式馈入端口、间断多槽式电极40.68MHz激发频率真空电场分布理论计算结果；

图9为点接触式馈入端口、间断多槽式电极54.24MHz激发频率下真空电场分布理论计算结果；

图10为线接触式馈入端口、连续多槽式电极结构示意图；

图11为线接触式馈入端口、连续多槽式电极真空电场分布理论计算结果；

图12为不对中线接触式馈入端口、连续多槽式电极结构示意图；

图13为不对中线接触式馈入端口、连续多槽式电极真空电场分布理论计算结果。

【具体实施方式】

以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。

本发明通过功率电源的馈入点数量、位置和电极结构的设计来改善电场分布的均匀性。

如图1、2所示，传统大面积VHF-PECVD反应室结构中，接地不锈钢接地反应室R中有功率电极P和放置衬底的接地电极G，衬底S，功率传输线L1、L2、L3和L4通过功率电极馈入端口D1、D2、D3和D4连接到功率电极P。

本发明在现有上述大面积VHF-PECVD反应室结构基础上，重新设计了功率电极板结构(如图3所示)。即在功率电极的功率馈入端口附近进行刻槽。刻槽式功率电极三维透视效果如图4所示，图中：T1、T2、T3和T4为刻槽。与通常电极(图2)相比，在功率电极靠近功率馈入端口的一侧刻有的沟槽，可以改变连接端口附近的电流分布，从而改善电极间的电势分布均匀性。

本发明功率馈入方式，包括功率馈入端口的形式、数量和在电极上的位置分布。

所述馈入端口一般可以采用点接触式馈入(如图3、4、5、7所示结构)，也可以是线型接触式馈入(如图10、12所示结构)。本发明图3中采用电极侧向点接触式四端对称馈入方式，实际应用中根据电极尺寸还可以采用两端、六端、八端等馈入方式。功率馈入端口可以设在电极厚度的中线位置，或不设在电极厚度的中线位置(如图12所示结构)。

本发明所述电极沟槽的设计，包括电极槽的位置、几何结构、数量和布置。

所述电极沟槽的位置，是在功率电极的电极平面正对要处理的衬底的功率馈入端口的一侧进行刻槽。本发明现给出附图的各实施例均为单面电极，所以只在馈入端口一侧有沟槽。而当功率电极是双面电极，即功率电极的两面都用来进行处理等离子体薄膜沉积或刻蚀时，则围绕功率馈入端口的两侧都需要进行刻槽，以使电极两侧都可获得均匀的电场。

所述电极槽的几何结构中：

电极槽的长度和宽度。电极槽的宽度与槽的数量相关，在确定了馈入端口与电极面之间的几何尺度后，在几何尺度允许的范围内可以是任意的，槽的数量越多，槽的宽度越小。槽的长度可以是任意的，可根据实际情况进行具体设计。例如可以分段，分别对应各功率馈入端口，如图3、4、7所示的结构。也可以是相连的，贯通一侧的各功率馈入端口，如图10、12的结构。

电极槽的深度与电极的构造有关。对于空心电极来说，槽的深度可以超过电极壁面的厚度，直接与电极内部连通，即连通式电极槽；也可以使槽的深度小于电极壁面厚度，不与电极内部贯通。对于实心电极来说，槽的深度原则上是任意的。

电极槽的截面形状。在实心电极和槽的深度小于电极壁面厚度的情况时，电极槽的截面形状可以是矩形、弧形、三角形或其它形状等，一般根据实际情况选择易机械加工的沟槽形状。

本发明中，功率电极的功率馈入端口方式与电极沟槽的设计可以进行任意组合，构成不同的结构方案，同样可以实现发明目的。

实施例1

一组两端对称的槽式电极结构(图5所示)。

本例中矩形平行板空心电极长L＝120cm，宽W＝40cm，高H＝10cm，电极壁面厚度均为1cm；采用电极两端侧面馈入方式，两个功率馈入端口位于电极宽边侧面的中心位置；在功率馈入端口一侧，即临近衬底的一侧刻槽，每个端口一侧刻有两条矩形槽，槽的长度达38cm，宽度1cm，两槽间隔1.5cm，槽深度为1cm，与电极内部连通。应用40.68MHz的激发频率电源，进行两端等相位、等振幅功率馈入。采用本例电极结构的PECVD反应室，其电极间电场分布理论计算如附图6所示。图中可以看出：电场分布非均匀性约在±8％，这一结果小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

实施例2

点接触式馈入端口、间断多槽式电极结构(图7所示)。

本例中矩形平行板空心电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，电极壁面厚度均为1cm；采用侧面四端对称馈入方式，四个功率馈入端口位于电极L长边侧面的水平中线位置，两端口中心相距70cm；在功率馈入端口临近衬底的一侧刻槽，每个端口一侧刻有两条矩形槽，槽的长度达30cm，宽度1cm，两槽间隔2cm，槽深度为1cm，与电极内部连通。分别应用40.68MHz和54.24MHz的激发频率电源，进行四端等相位、等振幅功率馈入。采用本例设计的槽式电极结构的PECVD反应室，其电极间电场分布在40.68MHz和54.24MHz两个激发频率下的理论计算结果如图8、9所示。图中可以看出：在40.68MHz激发频率下电场分布非均匀性大约在±4％；在54.24MHz激发频率下电场分布非均匀性大约在±8％。这些结果都小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

实施例3

线接触式馈入端口、连续多槽式电极结构(图10所示)。

本例中矩形平行板空心电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝19cm，电极壁面厚度均为1cm；采用电极四端对称侧面馈入方式，功率馈入端口为带状，带状端口宽度为7cm，其厚度可以忽略。四个带状功率馈入端口位于电极两个L长边侧面的中线位置，同一侧面两端口中心相距63cm；在功率馈入端口临近衬底的一侧刻有四条矩形槽。槽的长度达110cm，宽度1cm，两槽间隔2cm，槽深度为1cm，与电极内部连通。采用40.68MHz激发频率电源，进行四端等相位、等振幅功率馈入。采用本例设计的槽式电极结构的PECVD反应室，其在40.68MHz激发频率下电极间电场分布的理论计算结果如图11所示。图中可以看出：在40.68MHz激发频率下电场分布非均匀性大约在±4％，这一结果小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

实施例4

不对中线接触式馈入端口、连续多槽式电极结构(图12所示)。

本例中矩形平行板认为是实心电极，其长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝19cm；采用电极四端对称侧面馈入方式，功率馈入端口为带状，带状端口宽度为7cm，厚度0.2cm，四个带状功率馈入端口位于电极两个长边的侧面，与正对衬底电极平面的距离为15.5cm，同一侧面两端口中心相距63cm；在功率馈入端口临近衬底的一侧刻五条半圆柱形槽，槽的长度达110cm，直径2cm，两槽中心间隔2.8cm。采用40.68MHz激发频率电源，进行四端等相位、等振幅功率馈入。采用本例设计的槽式电极结构的PECVD反应室，其在40.68MHz激发频率下电极间电场分布的理论计算结果如图13所示。图中可以看出：在40.68MHz激发频率下电场分布非均匀性大约在±4％，这一结果小于通常沉积薄膜厚度非均匀性在±10％之内的要求。

Claims

1、一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，包括功率电极板和功率馈入端口，其特征在于所述功率电极板在功率电极面与功率电极馈入端口之间，设有电极槽；所述功率馈入端口为两端、四端、六端或八端；所述功率馈入端口为两端时，端口相对对称设置在功率电极的与电极平面垂直的两个侧面上，所述功率馈入端口为四端、六端或八端时，端口相对对称设置在功率电极的与电极平面垂直的两个侧面或四个侧面上。

2、根据权利要求1所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，其特征在于所述功率电极板的功率电极面是单面或双面的。

3、根据权利要求2所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，其特征在于所述功率馈入端口为点接触式、线接触式或面接触式馈入。

4、根据权利要求1或2所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，其特征在于所述电极槽是一条或并列的多条。

5、根据权利要求4所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，其特征在于所述电极槽在空心功率电极板的壁厚内是贯通的。

6、根据权利要求4所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，其特征在于所述电极槽在实心功率电极板内和空心功率电极板的壁厚内是呈矩形、弧形或三角形的断面形状。

7、根据权利要求3所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，其特征在于所述功率电极板在同侧有两个以上功率馈入端口时，所述电极槽相对各功率馈入端口是分别对应的，或是相连的。

8、根据权利要求4所述的可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室电极，其特征在于所述功率电极板在同侧有两个以上功率馈入端口时，所述电极槽相对各功率馈入端口是分别对应的，或是相连的。