可获得均匀电场的大面积VHF－PECVD反应室背馈入式平行板功率电极

摘要

本发明公开了一种可获得均匀电场的大面积VHF－PECVD反应室背馈入式平行板功率电极，包括平行板功率电极板和功率馈入连接端口，其特征在于所述功率馈入连接端口位于功率电极板的背面，功率电极板的正面与衬底S相对。本发明利用电极功率馈入端口位置的优化分布，抑制了电极馈入端口附近电势的对数奇点效应和电势驻波效应，使电场分布均匀性得到较大的改善，因而可以避免由于采用电极边缘功率馈入方式造成的电场分布不均匀问题。本发明解决了大面积电极板电位分布的均匀性问题，为研发大面积VHF－PECVD薄膜沉积和刻蚀系统奠定了基础，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。

说明书

【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反应室或应用梯型电极的反应室中，电势驻波效应和功率馈入连接端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，特别是其中的电极及功率馈入方式进行合理的设计，来抑制反应室中的电磁驻波效应。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】

本发明的目的是为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反应室背馈入式平行板功率电极。该电极及功率馈入方式，可以获得实用化的大面积VHF-PECVD反应室，以解决由电场非均匀分布所引起的等离子体非均匀性的问题，进而促进低成本硅薄膜太阳电池的产业化进程。

本发明为解决上述问题，设计了一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD反应室背馈入式平行板功率电极，包括平行板功率电极板和功率馈入连接端口，其特征在于所述功率馈入连接端口位于功率电极板的背面，功率电极板的正面与衬底S相对。

所述功率馈入连接端口可以为单点或多点。

所述单点功率馈入连接端口位于功率电极板背面的中心位置。

所述多点功率馈入连接端口可以是两点、四点、六点或八点等。所述多点功率馈入连接端口的每个端口相位相等振幅相等。

所述两点功率馈入连接端口的两个点，一般应置于电极板平面的纵向中心线上，且以横向中心线为对称轴线对称放置。

所述四点功率馈入连接端口的四个点，一般分别置于以电极板平面的纵向中心线和横向中心线为对称轴线的四个点上。

所述功率电极板可以是实心平板，也可以是具有小孔的shower-head形式的平行板电极。所述功率电极板的形状可以是圆形、正方形或矩形等形状。

本发明的有益效果是：背馈入式功率电极利用电极功率馈入端口位置的优化分布，抑制了电极馈入端口附近电势的对数奇点效应和电势驻波效应，使电场分布均匀性得到较大的改善，因而可以避免由于采用电极边缘功率馈入方式造成的电场分布不均匀问题。本发明解决了大面积电极板电位分布的均匀性问题，为研发大面积VHF-PECVD薄膜沉积和刻蚀系统奠定了基础，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。

【附图说明】

图1为背馈入式平行板电极单点中心功率馈入PECVD反应室示意图；

图2为背馈入式平行板电极单点中心功率馈入结构示意图；

图3为背馈入式平行板电极功率馈入点位置X-Y平面分布示意图；

图4为背馈入式平行板单点中心馈入电极间的真空电场分布示意图；

图5为背馈入式平行板电极两点馈入PECVD反应室示意图；

图6为背馈入式平行板电极两点功率馈入结构示意图；

图7为两点功率馈入(I)X-Y平面位置分布示意图；

图8为两点功率馈入(I)电极间的真空电场分布示意图；

图9为两点功率馈入(II)X-Y平面位置分布示意图；

图10为两点功率馈入(II)40.68MHz激发频率下电极间真空电场分布示意图；

图11为两点功率馈入(II)54.24MHz激发频率下电极间真空电场分布示意图；

图12为背馈入式平行板电极四点功率馈入结构示意图；

图13为四点功率馈入(I)X-Y平面位置分布示意图；

图14为四点功率馈入(I)真空电场分布示意图；

图15为四点功率馈入(II)X-Y平面位置分布示意图；

图16为四点功率馈入(II)40.68MHz激发频率电极间真空电场分布示意图；

图17为四点功率馈入(II)60MHz激发频率电极间真空电场分布示意图；

图18为四点功率馈入(III)X-Y平面位置分布示意图；

图19为四点功率馈入(III)真空电场分布示意图。

【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。

功率电源的馈入点数量、位置是影响电场分布均匀性的重要参量，本发明通过优化设计背馈入式功率电极馈入点的数量和位置来改善电场的均匀性。如图1、5所示，应用本发明的大面积背馈入式平行板电极VHF-PECVD反应室，由接地反应室R、接地电极G、平板功率电极P、电源功率传输线L、功率电极与功率传输线连接端口D组成。本发明所述的功率传输线与功率电极的连接端口D位于功率电极的背面，功率电极的正面与衬底S相对。

本发明根据电极的形状和尺寸，优化设计功率馈入连接端口数量和位置，通过功率馈入端口位置在平行板功率电极背面的优化分布，抑制电势驻波效应和功率馈端口附近电势对数奇点效应所造成的电场非均匀分布，从而可获得电极间相对均匀的电势分布。

本发明的背馈入式平行板电极，主要包括单点中心背馈入式平行板电极和多点分布背馈入式平行板电极。此平行板电极可以是实心平板也可以是具有小孔的shower-head形式的平行板电极。形状一般可以是圆形、正方形和矩形。

本发明所述单点中心背馈入式电极，即在平行板电极背面只存在一个电源功率传输线和功率电极的连接端口，且连接端口位于平行板电极的中心位置(如图2和图3所示)。对于正方形、矩形的平行板电极或圆形的平行板电极，单点功率馈入的馈入点在电极中心位置是最优方式。对于生产应用的平米级PECVD系统，所用电极形状一般为矩形。电极的尺度主要指电极的长度和宽度。在电极满足面积一定条件下，电极的长宽尺度根据反应室结构可以进行合理设计。

本发明所述多点分布背馈入式电极，即在平行板电极背面存在两个或两个以上的功率输入端口，各个端口分布在电极背面不同的位置处，每个端口相位相等振幅相等。

所述多点分布背馈入式电极可以是：两点，四点，六点，八点等等。图6所示电极采用了两点背馈入式电极结构，其两个功率馈入端口位置被置于X轴上且以Y轴为对称轴对称放置。图13所示电极采用了四点功率馈入式电极结构，其四个功率馈入端口的位置，以X轴和Y轴为对称轴对称分布。

本发明在保证电源激发频率对应的电磁波真空波长四分之一小于电极的长度的条件下，可以在任意激发频率和任意面积大小的PECVD反应室中采用，并可获得相对均匀的电场分布

本发明的可获得均匀电场的背馈入式平行板功率电极设计方案，依据基本的电磁场理论知识，利用功率馈入点数量和位置分布的优化，可以达到改善电场分布均匀性的目的。

实施例1

背馈入式平行板电极单点中心功率馈入结构(如图2所示)

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用背面式单点馈入，电极结构如实施例图1所示。功率馈入点位置如图3所示，馈入点D1位于x-y平面的中心。采用本例设计的背馈入式平行板电极结构的PECVD反应室，应用40.68MHz的激发频率电源，其电极间电场分布理论计算结果如图4所示，电场非均匀性在±4％之内。

实施例2

背馈入式平行板电极两点功率馈入(I)结构

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用背面式两点馈入，电极结构如图6所示。功率馈入点位置如图7所示，馈入点D1和D2的x-y平面直角坐标分别为(40cm，0)和(-40cm，0)。采用本例设计的背馈入式平行板电极结构的PECVD反应室，应用40.68MHz的激发频率电源，两端等相位、等振幅功率馈入，其电极间电场分布理论计算结果如图8所示，电场非均匀性在±5％之内。

实施例3

背馈入式平行板电极两点功率馈入(II)结构

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用背面式两点馈入，电极结构如图6所示。功率馈入点位置如图9所示，馈入点D1和D2的x-y平面直角坐标分别为(25cm，0)和(-25cm，0)。采用本例设计的背馈入式平行板电极结构的PECVD反应室，分别应用40.68MHz和54.24MHz的激发频率电源，两端等相位、等振幅功率馈入，其电极间电场分布理论计算结果如图10、11所示，电场非均匀性在±2.5％和±4.6％之内。

实施例4

背馈入式平行板电极四点功率馈入(I)结构

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用背面式四点馈入，电极结构如图12所示。功率馈入点位置如图13所示，馈入点D1、D2和D3、D4的x-y平面直角坐标分别为(-33cm，-30cm)、(33cm，-30)和(-33cm，30cm)、(33cm，30cm)。采用本例设计的背馈入式平行板电极结构的PECVD反应室，应用40.68MHz的激发频率电源，四端等相位、等振幅功率馈入，其电极间电场分布理论计算结果如图14所示，电场非均匀性±4％之内。

实施例5

背馈入式平行板电极四点功率馈入(II)结构

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝80cm，高H＝10cm，采用背面式四点馈入，电极结构如图12所示。功率馈入点位置如图15所示，馈入点D1、D2和D3、D4的x-y平面直角坐标分别为(-27cm，-10cm)、(27cm，-10)和(-27cm，10cm)、(27cm，10cm)。采用本例设计的背馈入式平行板电极结构的PECVD反应室，分别应用40.68MHz和60MHz的激发频率电源，四端等相位、等振幅功率馈入，其电极间电场分布理论计算结果如图16、17所示，电场非均匀性分别±2.5％和±5.5％之内。

实施例6

背馈入式平行板电极四点功率馈入(III)结构

本例中矩形平行板电极长L＝120cm，宽W＝100cm，高H＝10cm，采用背面式四点馈入，电极结构如图12所示。功率馈入点位置如图18所示，馈入点D1、D2和D3、D4的x-y平面直角坐标分别为(-25cm，-15cm)、(25cm，-15)和(-25cm，15cm)、(25cm，15cm)。采用本例设计的背馈入式平行板电极结构的PECVD反应室，应用40.68MHz的激发频率电源，四端等相位、等振幅功率馈入，其电极间电场分布理论计算结果如图19所示，电场非均匀性在±3.5％之内。