CN101245449A - 大批量生产薄膜的等离子箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一个用于同时在许多个大面积基板上镀膜的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备和方法。多个基板被放置在由多个间隔平行、交错排列的激发电极和接地电极组成的长方形等离子箱中，所有相邻相反电极之间一致均匀地形成多个等离子体区域。所有等离子箱中大面积电极表面被用于在单一真空室PECVD系统中大量、相同、固定且成批的镀膜。

Description

大批量生产薄膜的等离子箱

技术领域

本发明公开了一种真空镀膜设备，特别涉及到在一种大面积基板上生产低成本、高产量薄膜的批量处理式的PECVD设备和方法。

背景技术

传统的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统被设计成，在将电能用电容耦合的方式导入一对平行电极的辉光放电结构中，每个激发电极(power electrode，供能电极，亦称阴极或负极)都提供一个、而且通常只有一个相应的镀膜表面。图8显示的就是这类传统的平行电极辉光放电(PECVD)沉积设备。以图8为例：在PECVD系统的真空室40之中，置有两个平板式的极性相反的电极，分别为激发电极48和接地电极47，这两个平行电极保持一个适当的距离(通常在1-5厘米之间)，它们之间的区域45是等离子体的激发形成区。进气口41和出气口42分别被用来为等离子体区提供源气体和排出反应后的气体。一个被用于镀膜的基板43被放置在一个电极之上，是接地电极47的表面，其背面置有一个加热器44。如果使用直流辉光放电(DC glow-discharge)镀膜，则基板必须至少部分导电。当使用更广为采用的交流电来激发等离子体时，例如射频(RF)激发，平行电极板结构被认作是电容耦合等离子体方法。当源气流方向是侧路径时，绝缘基板可被放置在一或两个电极之上。但是，对于大面积镀膜来说，传统的平行电极等离子体反应器一次只能处理一块放置在接地电极上的基板，因为如图8所示，喷淋板49(喷头)通常被放置在一个多孔激发电极48的后面来均匀分布引入的反应气体，有时还有一个将激发电极置于其中的开口箱46，来控制等离子体区域和源气体流向。这个开口箱46与雅克史密特在美国专利号为4798739和4989543的专利中提出的置于密封真空室里的封闭等离子体反应器的概念相类似。

一些大面积或巨大的薄膜光电子器件，例如平板显示器，目前在以数个单个基板化学气相沉积室构成的簇形PECVD设备中形成，如由应用材料公司提供的设备(见美国专利号6444277、6338874、6468601、6352910和5788778，后三个专利被转让给了AKT公司)，或者使用多室结构的叠制型多个反应箱，如由Unaxis Balzers公司制造的设备(见美国专利号6673255、6296735和5515986)。许多日本公司用极其复杂的串接式多室等离子体化学气相沉积设备在大面积玻璃基板上生产非晶硅薄膜太阳能电池。所有上述情况中，在任何所给的反应箱中在所给时间内用一个可以产生等离子体区域的激发电极，且每次只为一个大面积基板镀膜。运行多个单独的等离子体反应器(并非本发明将要阐述的在单个反应器中建立多个等离子体区域)使Unaxis的设备可以同时在多个基板上镀膜。这些应用于大面积镀膜的商业PECVD系统本身很复杂、占体积大并且非常昂贵。它们不适用于大规模薄膜器件(如基于氢化硅光伏模块)的低成本、高产量生产。降低薄膜半导体光电器件的生产成本关键是要开发简单、灵活并有效的方法制造大面积、均匀、可靠、低成本、高产量的真空镀膜技术。比起普通的线型或簇形设备，根据本发明的批量处理正好提供了这些优势。

Zoltan J.Kiss博士在美国专利号4576830中提出的“载体箱”概念可以同时给四块基板镀膜，镀膜在由一个激发电极和两个作为载体箱侧壁的接地电极构成的可移动的载体箱内进行，载体箱被放置在比它更大的真空室中。虽然这种方法提供了非常高的内部电极表面区域利用率，但是很有必要增加每个载体箱中基板的数量，从而提高PECVD系统的生产力。多个载体箱依次排列拓展了上述由一个射频激发电极组成的载体箱概念，每一个载体箱具有自己的沉积空间和喷淋板(Dae-Won Kim，美国专利号为6079358)。这种设计相当复杂，它要求基板定时在每次沉积过程前后被单个移进或移出反应器。其它背景技术的公开包括用于在多个硅片双面上同时沉积薄膜的使用多个极高频激发电极的PECVD设备(美国专利号为7047903)，用多节电极连接到普通电源上，在多个硅片上沉积薄膜(A.Sherman，Thin SolidFilms Vol.113，p.135，1984)，同时给许多被放置在两个平行电极板之间的垂直小基板镀膜(美国专利号为4987004)。这些PECVD反应器的设计适用于处理限量的相对小的基板(大部分用于微电子电路的硅片，例如电脑芯片)，而不适用于大面积基板上的PECVD过程。因此，很有必要寻求一种适合于多个大面积基板同时镀膜的低成本、高产量、对于即定真空室体积具有最大可镀膜表面积的镀膜设备。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的：提供一个PECVD镀膜设备，用它可以将许多巨大的基板同时在一个放置在真空室里的、单独固定、相对紧凑的反应器中镀膜。

本发明的另一个目的是，提供一个高产量的大面积PECVD镀膜系统。

本发明的进一步目的是，提供一个等离子体设备，在其中镀膜区域的交叉污染减少了，非掺杂型和掺杂型半导体薄膜，例如氢化硅薄膜，都可以在单个真空室中使用一个固定的相同的等离子箱沉积。

为了达到上述目的，本发明创造了一种给大面积基板镀膜的高产设备和方法，根据本发明，在一个更大的真空室中操作的成批式(分批式)PECVD反应器(以下简称为等离子箱)，被设计成在单个等离子箱中包含多个平行激发电极和接地电极的样式。每个激发电极由一个专门的电源独立供能。本发明的等离子箱既作为基板的支撑介质，又为材料沉积生成等离子体的实际主体。每一个激发电极可以同时用来给与电极面积相近的4块基板镀膜。激发电极可以通过同时或单独或以任意组合方式供能而产生同样理想的镀膜结果。对于含有N个(N＝2、3、4、5、6...12...16...)激发电极的等离子箱，和电极面积相近的4N个基板可以在一个单独的等离子箱中被同时镀膜。

本发明的等离子箱是一个放置在更大的真空室中的箱状等离子体反应器。等离子箱主要由多个、垂直放置的、互相平行的、等间距的矩形电极板构成。矩形电极板由激发电极和接地电极(正负电极板)、一个装配在这样的电极板上的喷淋板、垂直于电极板的前后门(终端档板)和电极排列底部的其它支持零部件和滚轮组成。绝缘体被用来断开激发电极与等离子箱中其它部件的电力联系，等离子箱的底部是开口的。接地电极的大小相同，大于0.6平方米(6000平方厘米)，激发电极的大小相同，大于0.5平方米，每个都独立与一个外置供电单元和一个相应的阻抗匹配器相连接。大面积基板被放置在等离子箱中的所有相对电极的每个表面上。使用高频PECVD镀膜过程，可以一个最佳成批处理模式同时在所有基板上完成。此外，独立激发电极可以通过任意的组合形式，同时给多个基板镀膜。

任何激发电极两侧的两个等离子体区域可以同时均匀的在4块与电极面积相近的基板上镀膜。因此，可被同时处理的、与电极大小相似的基板总数是等离子箱中激发电极数量的4倍。例如，如果等离子箱中放置了8个激发电极，那么最多可同时在32块基板上镀膜。

当所有的电极平坦表面被基板覆盖，掺杂气体的污染会大大减少，从而使在等离子箱中相继形成的由掺杂的和非掺杂的薄膜组成的光电器件的制备成为现实。所发明的设备和方法具有简单、多功能性、大容量、高产量的特点，所以非常适用于大面积薄膜器件，包括光伏模块、大面积传感器、探测器和平板显示器的低成本产业化生产。等离子箱技术与极其复杂、高成本、难于操作和维修，且占地面积大的多室簇形或线型生产设备形成鲜明对比。

本发明方法的特征是使用高激发频率将电能用电容耦合的方式导入平行电极中从而形成PECVD。本发明的设备和方法用于同时用等离子体处理放置在真空室中单个反应箱里的大量基板，这种真空室的单个反应箱适用于商业化批量生产大面积镀膜和器件。

因为真空室空间和等离子箱的更简单的设计，有效的利用，高产量以及清理时间的减少，大大减少了折旧成本，本发明中用于大规模生产薄膜器件的等离子箱技术提高了生产力，也大大减少了设备成本。这些成本优势对于薄膜器件在市场上具有竞争力相当重要。等离子箱的其他优势和性能在具体实施方式中描述。

根据本发明，等离子箱可以在每一个镀膜过程之前或之后与安置在其中的基板一起移动，等离子箱同样可以在整个镀膜过程，及其前后在真空室里保持固定。在后一个操作模式中，只有基板在每个镀膜过程之后被替换。无论使用任何一种操作模式，在等离子体区域的实际PECVD镀膜过程始终相同。

等离子箱的设计为规则的真空室每单位体积提供了最大的镀膜面积。相比于其他所有类型的PECVD反应器，这是等离子箱技术的一个固有优势。

因为除了底部中空部分，等离子箱具有相当好的密封性，倘若进入等离子箱的源气体流量比例足够高，等离子体区域不受真空室内壁所释放的或从反应室渗漏的少量气体的影响。根据本发明镀膜的一个优点是对等离子体反应器的常规清洗要求更低。等离子箱的大量内部电极表面被基板所覆盖，因为基板在每次镀膜过程之后被成批新基板取代，等离子箱可以避免大面积薄膜在电极表面形成，而使得微粒和粉尘落在基板上，降低镀膜的品质。因为不需要频繁清理，等离子箱成为更加吸引人的省时省力的生产工具。

用等离子箱方法制作薄膜光电器件的另一个优点是它能够充分阻止在相同等离子箱中相继沉积的不同掺杂的和非掺杂的半导体层之间的交叉污染。例如，高性能的p-i-n型氢化非晶硅和纳米晶硅光伏器件可在相同的真空室中不需要层间清理被连续形成(单室操作)。如果使用图8显示的传统PECVD系统，在沉积掺杂薄膜(p层或n层)之后而沉积的“非掺杂”的非晶硅(i层)，往往会出现严重的交叉污染问题。因此，用传统PECVD反应器，需要多室系统来专门处理掺杂和非掺杂薄膜，使得设备成本高昂，操作复杂。

使用等离子箱的PECVD反应器相对简单的设计更便于组装、操作、发现问题和维修。所以它的生产和维修成本比只能镀膜小面积基板的传统PECVD设备低。

本发明的等离子箱技术提供了对连续、高产量生产大面积薄膜器件的优越控制性和重复性。一个原因是多个平行电极构造的容错性。每一个激发电极由一个互不冲突或互相依赖的阻抗匹配器和专用电源提供能量。当一个电路出现如短路的问题时，等离子箱中的所有其它的电路(其它激发电极)不受影响，等离子体镀膜仍可以用其它的电路进行下去。等离子箱的故障容许量与线型生产设备形成鲜明对比：当任何一个等离子体反应器或镀膜室发生故障(或者电力传输或机械转移机制或如基板破损等其他故障)，整个生产线必须停止直到问题解决。换句话说，线型生产设备就像链条一样，一旦任何链节出现问题就无法运行。

等离子箱的另一个优点是对源气体的利用率很高，因为和传统的两个电极中的一个不被用作基板支撑物的等离子体反应器相比，大部分与等离子体区域邻近的电极表面被基板覆盖。

用于PECVD等离子箱还有一个优点是设计灵活性大，很容易的只适当增大真空室就可制作更大的等离子箱来提高生产力。例如，将激发电极的数量从8个增加16个，可以同时被镀膜的基板数量成倍增加，同时所需真空室只需将宽度增加大约30％。相比而言，为了使生产能力成倍增加，线型生产系统需要双倍的长度，或者双倍一系列连接的真空室数量，这不可避免的大大增加了生产成本和复杂性，而且整个生产线更容易发生故障。

总而言之，除了简单、低成本、占地小、易于操作和维修成本低的特点，等离子箱型PECVD系统的优点还包括：高电极利用率、由于多个独立供能等离子体区域平行处理所具有的容错性、高源气体利用率和低交叉污染状况。用等离子箱平行处理可以很好地改善用于薄膜太阳能电池的非晶硅和纳米晶硅的低镀膜率和器件质量差的现状。基于等离子箱的成批PECVD过程使低温制作大面积厚度均匀的薄膜器件的生产成本降到最低程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1显示了多个电极的排列方式。

图2显示了平行排列的电极板和置于其上的气体分布喷淋板。

图3显示了一个在图2结构基础上添加底部支撑结构的等离子箱。

图4显示了被镀膜基板在图3所示的等离子箱中的放置方式。

图5显示了一个平坦的硬质基板可用绝缘支架被附在电极板上的侧面图。

图6显示了等离子箱的前后门与长方形电极板的排列关系。

图7显示了一个使用等离子箱的PECVD系统的截面图。

图8显示了一个传统的具有一对平行电极的PECVD系统。

具体实施方式

图1至图7显示了等离子箱20的结构和操作。

如图1所示，多个平坦的矩形金属板77、77A和88以相同的间隔距离被平行放置。这些金属板最好垂直于地面，以便于灵活地装卸基板并减少落在基板上的微粒。电极间的距离值在0.6-5厘米范围内。每个电极板有两个互相平行的平坦表面。也就是所有的电极77、77A和88具有均匀的板厚度。接地电极板77都具有不小于0.6平方米(6000平方厘米)的相同大小。最外面的两个接地电极77A被用来形成图3所示的等离子箱20的两个侧壁。所有的激发电极88大小相同，可以和接地电极77的大小相近，但最好适度小于接地电极77。无论如何，激发电极88的面积大于0.5平方米。例如，接地电极77的平面尺寸是1.2m×0.75m(0.9m²)，激发电极88的尺寸是1.2m×0.70m(0.84m²)。如图1显示，接地电极(正电极)77和77A与共同的接地终端相连接，在低压辉光放电操作时，激发电极(负电极)88和高频供能电源的终端相连接。根据本发明，接地电极77(包括77A)和激发电极88被交替排列，每个都夹在两个相反电极板之间。薄膜沉积过程中的辉光放电等离子体存在于任何两个相邻电极之间的区域31中。激发电极的数量N可以是任何大于1的整数，也就是N＝2，3，4...8...12...16等等。等离子箱20内部的接地电极77的数量是N-1。因此，包括两个外侧电极77A，具有N个激发电极的等离子箱的接地电极的总数是N+1个。为了便于说明，图4和图7显示了一个只有四个激发电极88的等离子箱20。在实践中，大量的激发电极有利于提高PECVD设备大面积基板(≥0.5m²)镀膜的生产力。

图2显示了如图1所示的一组电极板和置于其上的一个喷淋板50。喷淋板50用作等离子箱20的封顶盖，并为等离子体沉积到电极板之间的各个区域31均匀分散引入的气态原料。外部供应的气体混合物通过进气口53被引入喷淋板，并通过平行于电极板77A、77和88的多排小孔55进入到等离子箱20中。接地和电源符号显示了电极的交替周期放置。图2的箭头显示了气流模式。长方形电极的长边平行于喷淋板50的多孔底板。激发电极88和喷淋板50被顶部的绝缘体61隔离。电极88的底部通过绝缘体62被底部支撑结构90支撑(如图3所示)，被屏蔽电缆86连接到放置等离子箱20的真空室10的外置电源89(图7)上。因为在大面积基板上均匀镀膜要求电极面积大于0.5平方米(5000平方厘米)，所以激发电极88的设计可以使得高频功率在整个电极间隙区域31内均匀分布。

图3显示了一个在图2结构基础上添加底部支撑结构90的等离子箱20。底部支撑结构90由多个金属横柱和用于固定电极板的组件构成，包括插在底部结构90和激发电极88之间的绝缘体62。底部支撑结构90提供了许多非限制的孔穴91，使向下流动的气体混合物在PECVD或等离子体蚀刻过程中易于流出等离子箱20。组成底部支撑结构90的其它零部件，例如可让支撑结构90牢牢附于侧壁77A的支架，移动轮，或支撑结构没有在这里显示。移动轮可以便于将等离子箱20推进或拉出真空室10(图7)。在相对电极板之间的间隙31是由源气体混合物等离子体激发形成镀膜反应的等离子体区域。

如图1所示，激发电极88最好比接地电极77要稍微窄一点(垂直方向短一些)，这样来自激发电极88的高频电辐射可被更大的接地电极77和77A屏蔽。因为外侧接地板77A也作为等离子箱20的侧壁，所以它们比放置在等离子箱20里接地电极77稍微大一些。

图4显示了被镀膜基板在图3所示的等离子箱20中的放置方式。侧壁77A的外侧不用于等离子体处理。基板3(≥0.5平方米)的大小最大只能略小于电极板88的尺寸。因为高频等离子体可以在每个相邻电极77(包括77A)和88之间的等离子体区域31中存在，等离子箱20中每一个与等离子体接触的电极表面都可以用于镀膜。如图4和图7所示，每个电极表面都可以放置一个基板3，也就是说每个电极板都附着两块基板。这样来说，放置在等离子箱20中的每个激发电极88可为四块几乎同等大小的基板同时镀膜。例如，含有8个激发电极的等离子箱可以同时为32块稍微比电极小一点的基板镀膜。本发明的一个主要优点就是极高的电极表面利用率。通过建造可以放置许多电极88和77的大等离子箱20，可以从单个PECVD系统中获得非常高的镀膜生产力。

图5显示了一个用绝缘体66和67将平坦基板3附在电极板77和88上的方法。为了使等离子体相对于所有附在两个相反电极上的基板3具有良好的对称性，所有的基板3和电极77和88是电绝缘的。这种悬浮基板不适用于直流电辉光放电。对于高频等离子体，基板3可以是绝缘体、导体、半导体或者是表面有导电薄膜的板材。为了达到基板3表面最佳等离子体对称性，放置在相反电极77A、77和88上的基板3最好是硬质的、平坦的、具有均匀厚度的绝缘材料，例如，可含导电薄膜的大面积玻璃板是用于本发明实践的最佳基板之一。

图6显示了等离子箱20的前门76(或后门)与长方形电极板的排列关系。前后门76(只有一个显示在图6中)被放置在电极板77A、77和88终端的一侧，通常与这些电极的表面垂直。前门76被绝缘板63与电极板77和88相隔离。所有的接地电极77和激发电极88沿着喷淋板50和放置在电极两端的前后门76依序排列。等离子箱20的喷淋板50、外侧接地电极77A和前后门76紧密连接，这样用于等离子体镀膜的气体混合物不易于从等离子箱20的边缝中溢出。

图7显示了一个使用等离子箱的PECVD系统的截面图。装载了基板3的等离子箱20被放置在真空室10中，真空室10通过排气口16与抽真空的管道和真空泵相连接。安装在反应室10上的进气口53A通过一个波纹管连接到等离子箱20上的进气口53。源气体混合物通过53A和53被引入等离子箱20中。气体混合物从喷淋板上的布气孔55流下来，在基板3之间的间隙区域31流动，并通过等离子箱20底部中空部分91流出。从等离子体反应区流出的气体从排气口16排出。电加热器被加在真空室10的表面，以提高或保持整个真空室10和等离子箱20的选定温度。每个激发电极88通过电缆86和一个独立的可以是射频、极高频或中频的交流电源89连接起来。多个激发电极88也可以共用一个电源89，但这种做法不予推荐。喷淋板50、接地电极77和77A、前后门76和底部支撑结构90与真空室10保持相同的接地电势(同等电位)。基板3具有悬浮电势，和等离子箱20的其它零部件绝缘。在镀膜过程中，在等离子体区域31中，根据预定设置，包括镀膜时间和从89传送的功率来维持辉光放电。

Claims (10)

1. 一个等离子箱，用于在多个近距离相临区域形成同时低压辉光放电，其特征在于：由以下部分组成：

a)多个接地电极，具有两个平坦的互相平行的表面，表面积不小于0.6平方米，安装在所述等离子箱中，并且任意两个相邻电极具有相同的预置距离；

b)多个激发电极，具有两个平坦的互相平行的表面，表面积不小于0.5平方米，安装在所述等离子箱中，并且与所述等离子箱的其它部分绝缘。所述多个接地电极和所述多个激发电极被平行交替放置，并与相邻电极保持相等的预置距离；

c)多个连接在所述激发电极上，且为所述激发电极独立供能的被屏蔽电缆；

d)一对外壁，由最外侧的所述接地电极组成；

e)一对前后门，具有两个平坦的互相平行的表面，和所述一对外壁垂直连接；

f)一个喷淋板，和所述多个接地电极、所述多个激发电极、所述一对外壁和所述一对后门垂直相连，其作用是将源气体混合物引入到所述多个接地电极和多个激发电极之间的等离子体区域中；

g)一个底部支撑结构，它由多个金属柱和其它组成部分组成，用于支撑并固定所述等离子箱的其它部分，通过它可以在某个地方或其它物体之上安装所述等离子箱，并且让所述等离子箱能够被移动；

h)多个穿过所述底部支撑结构，可以将通过所述等离子体区域的废气混合物排除的中空部分；

i)通过电接地和电连接，将所述多个接地电极、所述一对外壁、所述一对前后门、所述喷淋板和所述底部支撑结构维持在同等接地电势上；

j)将用于镀膜的基板固定在所述多个接地电极、多个激发电极和一对外壁表面的手段；

k)保持用于镀膜的基板与所述等离子箱其它部分电绝缘的手段。

2. 一个PECVD系统，其特征在于：是一个通过等离子体增强化学气相沉积过程，同时在很多个大型平面基板上形成薄膜材料的设备，由以下部分组成：

a)一个真空室，具有良好的密封性；

b)加热所述真空室到高温的方法；

c)一个真空获得和气压维持系统，包括真空泵、抽气管道、隔离阀门和一个真空抽气和保持所述真空室低压的节流阀；

d)一个根据权利要求1所述的等离子箱，被放置在所述的真空室中；

e)多个高频电源和多个高频阻抗匹配器，经由被屏蔽电缆，通过所述真空室与权利要求1所述的等离子箱中的多个激发电极连接，以便为所述多个激发电极供能，并在相邻电极之间的区域中形成等离子体辉光放电；

f)向所述等离子箱中，为PECVD过程引入具有准确流量的源气体混和物的手段；

g)处理从所述真空室排除的废气的方法；

h)所有其它操作一个完整的PECVD系统所需的手段，包括测压计、温度传感器、安全及环境监测装置和计算机控制与自动化。

3. 一个薄膜沉积方法，其特征在于：该方法是在权利要求2所述的PECVD系统中实施，同时在很多个大型平面基板上形成薄膜材料，并由以下步骤组成：

a)提供多个放置在所述等离子箱中的、不小于0.5平方米的平坦基板；

b)提供预热和加热所述基板的方法；

c)通过抽出所述真空室的所有空气创造一个真空环境；

d)为所述等离子箱提供一种指定的源气体混和物；

e)提供高频功率同时为所述多个激发电极供能，并在所述等离子体区域形成辉光放电使薄膜同时生长在多个基板上；

f)将废气混合物从所述真空室中排出。

4. 根据权利要求1所述的等离子箱，其特征在于：所述多个激发电极包含了为了获得特定镀膜效应所安置的穿透型孔穴、狭缝和其它中空部分。

5. 根据权利要求1所述的等离子箱，其特征在于：它被用于等离子体蚀刻过程。

6. 根据权利要求3所述的薄膜沉积方法，其特征在于：所沉积的薄膜是半导体薄膜，包括各种掺杂和非掺杂的氢化硅薄膜和其合金。

7. 根据权利要求3所述的薄膜沉积方法，其特征在于：所述的基板由平坦的玻璃板和其上沉积的透明导电氧化物组成。

8. 根据权利要求3所述的薄膜沉积方法，其特征在于：等离子体的激发方式包括中频、射频和极高频。

9. 根据权利要求1所述的等离子箱，其特征在于：所述多个激发电极的数量不少于8个。

10. 根据权利要求1所述的等离子箱，其特征在于：所述多个接地电极和所述多个激发电极的面积大于2平方米。

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