專利名稱：相位控制式制備功能薄膜的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于真空鍍膜領域，特別涉及到一種使用高頻等離子體增強化學氣相沉積法通過控制其中等離子體鍍膜過程的射頻電場的相位來批量化地制備功能薄膜的方法和系統。
背景技術：
太陽能光伏發電是獲得有利于環境的可再生能源的重要途徑之一 ，薄膜太陽能電池代表著光伏技術的發展趨勢。基于硅薄膜的太陽能電池具有低成本，便于大面積制造集成的優點。
其中多晶硅薄膜太陽能電池，成本有竟爭力，轉換效率較高。因此，多晶硅薄膜電池將會在太陽能電地市場上占據重要地位。目前制備多晶硅薄膜
電池的薄膜多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)和等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝。此外，液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池的薄膜。
而氫化非晶硅(簡稱非晶硅)薄膜太陽能電池成本低，重量輕，轉換效率較高，便于大規模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅太陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。納米硅太陽能電池是新近發展的，優點在于它的可大面積生產的工藝及穩定的良好光電轉換性能。包括氬化非晶石圭(hydrogenated amorphous silicon, a-Si)和納米珪(nano-crystalline silicon, nc-Si)的基于氫化硅的薄膜通常是用射頻(RF )或甚高頻(VHF )等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)在大面積基板上獲得。
為了提高上述真空鍍膜系統的生產量，在一個給定的等離子體反應箱中， 一般同時在盡可能多的基板上進行沉積。在此提出了一個等離子體反應箱的概念，使得在等離子體反應箱中可以同時驅動多個電極，以在多個區域中產生等離子體，在多個電池基板(或用于生長其它功能薄膜的基板)上同時進行沉積。圖1顯示了現有技術中的這類PECVD等離子體反應箱中電極的排列。在一個真空室(即，等離子體反應箱)內部，置有多個接地的正電極7和多個用來產生等離子體的負電極(即，功率電極(power-electrode)或帶電電極)8A、 8B、 8C、 8D等等。這些平行板狀正、負電極相互平行間隔放置且間距相等，這些平行板狀電極的首尾均為正電極7。被鍍膜的基板平行放在
任一正電極7以及與其相鄰的一個或兩個負電極8A(8B、 8C、 8D.......)相
對的兩面之間。當外界提供的電力9A、 9B、 9C、 9D等等分別施加于負電極8A、 8B、 8C、 8D等等時，等離子體在相鄰的正負電極之間的區域31中形成，并在基板上鍍膜。
傳統的生長工藝是使用向多個負電極獨立提供電能(其激發頻率一般為13.56 MHz，而幅度即功率根據工藝而定的)的方法維持的，也就是說在多個平行的正電極和負電極之間的輝光放電是隨機和獨立產生的。 一個嚴重的問題是，在同樣的激發頻率(例如13.56MHz)下，同時連續地供給到所有負電極的射頻功率，由于相鄰的負電極間距較小(不超過8厘米)且屏蔽不良，使RF輻射泄漏并耦合到鄰近的等離子體形成區和電極中，RF電場彼此互相作用產生干擾。由于在等離子體反應箱的緊密空間中不可能提供充分的射頻防護，鄰近負電極中的干擾是在所難免的。RF干擾隨功率的提高而更為嚴重。負電極(或者是在多個等離子體形成區域)中的嚴重干擾，造成了通過等離子體反應箱批量地在大型基板上進行薄膜沉積的很多問題沉積率的不均勻或者是薄膜厚度的不均勻、薄膜厚度和性能的較差重復性、和等離子體的不穩定性。干擾導致的不均tf射頻電場和不均勻薄膜沉積將嚴重地影響大面積沉積薄膜的性能和外觀。對于這種功能薄膜部件的生產來說，性能和產量都受到不佳影響。
在此之前，人們采用了一些緩和干擾的方法，例如對不同的負電極使用不同的激發頻率、很小心地將負電極互相屏蔽開來、僅使用低功率密度、或是只使用低頻率激發電源。然而，這些方法并不奏效。到目前為止，還沒有找到簡單和有效的方法來解決在等離子體反應箱中的電場射頻干擾問題。因此企盼找到解決等離子體反應箱中的電場射頻干擾問題的新方法和裝置。

發明內容
基于上述考慮，申請人擬訂了本發明的首要目的提供一種使用高頻等離子體增強化學氣相沉積法通過控制其中等離子體鍍膜過程的射頻電場的相位來批量化地制備功能薄膜的方法和系統，從而消除等離子體反應箱
(plasma-box)中相鄰激發(帶電)電極同時以同一頻率供電時所產生的干擾現象。
為了達到上述發明目的，本發明公開了一個在等離子體薄膜沉積過程中射頻或更高頻激發功率的相位控制方法。在一個使用包含多個負電極的批量式等離子體反應器的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)過程中，為了避免在間隔緊密的電極中高次諧波的產生和干擾，施加于多個負電極的具有相同頻率的多組射頻(RF )功率的相位不是隨機和獨立的，而是被準確地控制，使相鄰負電極的射頻電場的相位錯開180度。來自鄰近電極的電場波的相互作用將因為反相而互相抵消。這種等離子體激發方法尤其有利于在裝有許多個平行電極的巨型等離子體反應箱中，改善在許多大型基板上同步沉積的薄膜的均勻性和重復性。實現本發明的一個方法是使用獨一的射頻信號發生器(master oscillator,石英振蕩器)來驅動全部獨立的電源供給通道(功率放大器)。然而，施加于每個射頻功率放大器的射頻信號的相位，都相對于其近鄰電源錯開180度，使得所有鄰近的負電極的激發電場的相位都相反，最大程度的消除多個射頻電場的彼此干擾。
具體地，根據本發明的一個方面，提供一種在等離子體反應箱內部使用高頻等離子體增強化學氣相沉積法批量化地制備功能薄膜的方法，其中在該等離子體反應箱內部，平行地放置多個板狀的接地的正電極和多個板狀的用來產生等離子體的負電極，這些平行板狀正、負電極相互平行間隔放置且間距相等，這些平行板狀電極的首尾均為正電極，用于在其上產生功能薄膜的基板平行;改在任一正電極以及與其相鄰的一個或兩個負電極相對的兩面之間，所述方法包括將多個負電極被分成兩個組，正、負電極按照正電極、第一組負電極中的一個負電極、正電極、第二組負電極中的一個負電極的順序依次放置；向多個負電極提供用于激發等離子體的高頻電能，施加于相鄰負電極的電能的頻率相同且相位相互錯開180度。
根據本發明的一個方面，提供一種使用高頻等離子體增強化學氣相沉積法批量化地制備功能薄膜的系統，其中所述系統包括等離子體反應箱，在該等離子體反應箱內部，平行地放置多個板狀的接地的正電極和多個板狀的用來產生等離子體的負電極，這些平行板狀正、負電極相互平行間隔放置且間距相等，這些平行板狀電極的首尾均為正電極，用于在其上產生功能薄膜的基板平行方欠在任一正電極以及與其相鄰的一個或兩個負電極相對的兩面之間。在所述系統中，將多個負電極分成兩個組，正、負電極按照正電極、第一組負電極中的一個負電極、正電極、第二組負電極中的一個負電極的順序
依次放置；向多個負電極提供用于激發等離子體的高頻電能，施加于相鄰負電極的電能的頻率相同且相位相互錯開180度。
使接地電極從負電極中分離同樣也是有利的。將負電極隔離開的接地正電極制造成比負電極大的多，接地電極的隔板或者是屏蔽作用可以降低相鄰等離子區的高頻率干擾。
根據本發明的方法特別適用于等離子體反應箱的PECVD過程，在多個基板上同時生長氫化硅薄膜，包括非晶硅、準納米硅、納米硅以及它們的有摻雜或者無摻雜的合金。 一個直接的應用就是在大面積玻璃板上生成基于氬化薄膜硅的光伏器件。
根據本發明的本發明的方法和系統能夠提高等離子體反應箱中PECVD大面積鍍膜的均勻性和重復性。


由以下結合附圖的說明，將會更詳細地理解本發明的示范性實施例，其
中
圖1顯示了現有技術中的具有多個平行電極的PECVD等離子體反應箱中電極的排列。
圖2顯示了根據本發明實施例的具有多個平行電極的PECVD鍍膜反應箱中電極的排列。
圖3顯示了被施加于兩個相鄰帶電電極的射頻激發電場的相位關系。
具體實施例方式
附圖示出了本發明的示范性實施例，對它們進行參考以便獲得對本發明、其優點及借助本發明的實施而實現的目的的充分理解。在下文中，將通過參考附圖解釋本發明的示范性實施例來詳細說明本發明。在附圖中相似或相同的參考數字表示相似或相同的元件。
本發明涉及對包括RF和VHF的高頻率PECVD方法在用于批量式等離子體反應箱的PEVCD系統中生長薄膜中的改進。
圖2顯示了根據本發明實施例的具有多個平行電極的PECVD鍍膜反應箱中電極的排列。
如圖2所示，在一個等離子體反應箱內部，置有多個接地的正電極7和用來產生等離子體的多個負電極(即，功率電極或帶電電極)8A、 8B，其中多個負電極被分成兩個組，第一組負電極用8A指示，第一組負電極用8B指示。這些平行板狀正、負電極按照正電極、第一組負電極中的一個負電極、正電極、第二組負電極中的一個負電極的順序相互平行間隔放置且間距相等，這些平行板狀電極的首尾均為正電極7。被鍍朦的基板平行放在任一正電極7以及與其相鄰的一個或兩個負電極8A(8B)相對的兩面之間。當外界提供的兩組相位相反、頻率相同的電力9A、 9B分別施加于兩組負電極8A、8B時，等離子體在相鄰的正負電極之間的區域31中形成，并在基板上鍍膜。
在圖1中，每個負電極的功率都是由一個獨立的射頻電源及相關的阻抗匹配器在同樣的高頻率(如13.56MHz)下來提供，反應箱中的多個負電極可以同時在多個區域內產生等離子體，從而同時在多個基板上鍍上各類功能薄膜。
與圖1不同，在圖2中，在向多個負電極同時提供的射頻或極高頻的用于激發等離子體的電能時，所有被提供的高頻功率的相位都得到統一的控制，而不是隨機和相互獨立的。即，提供給任何一個負電極的電能的交流電場的相位，都相對于其鄰近的負電極產生的交流電場的相位而錯開180度。如圖3所示。
圖3提供了兩個相鄰負電極的激發功率的相應交流電場的相位關系。兩組電力9A和9B被施加于如圖2所示的兩個相鄰負電極8A和8B之上。電力9A與電力9B的相位錯開180度。也就是說，電力9A的交流電場的正峰值與電力9B的電場的谷值(負峰值)重合，反之亦然。射頻或極高頻的用于激發等離子體的電能的相位，即圖2中高頻電源9A、 9B、 9A、 9B等等，都被有規律地調制，使它們相差180度，從而有效地抵消相鄰負電極的激發電場。適當相位的錯開可以最小化射頻電場的干擾，及隨之發生的等離子體的不均勻性，低重復性和不穩定性。
實現圖2所示的根據本發明實施例中的相位相反、頻率相同的激發電源9A、 9B的一個實際方法是使用一個單獨的射頻信號發生器(石英振蕩器)來驅動全部單個的電源供給通道(功率放大器)。其中，施加于每個射頻功
率放大器的射頻信號的相位都^皮彼此錯開180度，也就是180度、360度、 540度等等。這樣就使得所有相鄰的負電極的激發電源都具有相反的相位， 最大程度的消除彼此干擾。
實現圖2所示的根據本發明實施例中的相位相反、頻率相同的激發電源 9A、 9B的另外一種方法是使用一個具有特殊用途的相位轉換器(phase shifter,亦稱相位調節器)，它可以連接到并控制多個獨立的射頻電源。這種 相位轉換器可以消除隨機相位，使各個電源的輸出功率具有被選定的相位。 這種相位轉換器已經成功地運用于單一真空室中包含多個磁控濺射靶的濺 射設備中。該相位轉換器也可以同樣成功有效地應用于根據本發明的 PEVCD系統。
根據本發明的本發明的方法和系統能夠提高等離子體反應箱中PECVD 大面積鍍膜的均勻性和重復性。
盡管已經參考其示范性實施例具體示出并說明了本發明，但本領域普通 技術人員會理解可以在此做出形式和細節上的各種變化，而不會脫離由以下 權利要求所規定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種在等離子體反應箱內部使用高頻等離子體增強化學氣相沉積法批量化地制備功能薄膜的方法，其中在該等離子體反應箱內部，平行地放置多個板狀的接地的正電極和多個板狀的用來產生等離子體的負電極，這些平行板狀正、負電極相互平行間隔放置且間距相等，這些平行板狀電極的首尾均為正電極，用于在其上產生功能薄膜的基板平行放在任一正電極以及與其相鄰的一個或兩個負電極相對的兩面之間，其特征在于將多個負電極被分成兩個組，正、負電極按照正電極、第一組負電極中的一個負電極、正電極、第二組負電極中的一個負電極的順序依次放置；向多個負電極提供用于激發等離子體的高頻電能，施加于相鄰負電極的電能的頻率相同且相位相互錯開180度。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于向多個負電極提供用于激 發等離子體的高頻電能的波形是幅度相同的正弦波。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于向多個負電極提供用于激 發等離子體的高頻電能的波形是幅度不同的正弦波。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于向多個負電極提供用于激 發等離子體的高頻電能的頻率是射頻或更高的頻率。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于向多個負電極提供用于激 發等離子體的高頻電能的頻率是13.56 MHz。
6. 如權利要求l所述的方法，其特征在于使用單獨的射頻信號發生器來驅動向多個負電極每一個提供電能的電 能提供通道，其中，施加于每個電能提供通道的射頻信號的相位都被彼此錯 開180度。
7. 如權利要求l所述的方法，其特征在于使用連接多個獨立的射頻電源的相位轉換器，控制該多個獨立的射頻電 源的相位彼此錯開180度，以向多個負電極相應的每一個提供電能。
8. 如權利要求1-7中任一權利要求所述的方法，其特征在于 將負電極隔離開的接地正電極比負電極大。
9. 如權利要求1-7中任一權利要求所述的方法，其特征在于在等離 子體反應箱的沉積過程中，在多個基板上同時生長的薄膜是氫化硅薄膜，包 括非晶硅、準納米硅、納米硅以及它們的有摻雜或者無摻雜的合金薄膜。
10. —種使用高頻等離子體增強化學氣相沉積法批量化地制備功能薄膜 的系統，其中所述系統包括等離子體反應箱，在該等離子體反應箱內部，平 行地放置多個板狀的接地的正電極和多個板狀的用來產生等離子體的負電 極，這些平行板狀正、負電極相互平行間隔放置且間距相等，這些平行板狀 電極的首尾均為正電極，用于在其上產生功能薄膜的基板平行放在任一正電極以及與其相鄰的一個或兩個負電極相對的兩面之間，其特征在于將多個負電極被分成兩個組，正、負電極按照正電極、第一組負電極中的一個負電極、正電極、第二組負電極中的一個負電極的順序依次放置； 向多個負電極提供用于激發等離子體的高頻電能，施加于相鄰負電極的電能的頻率相同且相位相互錯開180度。
11. 如權利要求10所述的系統，其特征在于向多個負電極提供用于 激發等離子體的高頻電能的波形是幅度相同的正弦波。
12. 如權利要求10所述的系統，其特征在于向多個負電極提供用于 激發等離子體的高頻電能的波形是幅度不同的正弦波。
13. 如權利要求10所述的系統，其特征在于向多個負電極提供用于 激發等離子體的高頻電能的頻率是射頻或更高的頻率。
14. 如權利要求10所述的系統，其特征在于向多個負電極提供用于 激發等離子體的高頻電能的頻率是13.56MHz。
15. 如權利要求IO所述的系統，其特征在于所述系統還包括射頻信號發生器，使用該射頻信號發生器來驅動向多個 負電極每一個提供電能的電能提供通道，其中，施加于每個電能提供通道的 射頻信號的相位都被彼此錯開180度。
16. 如權利要求IO所述的系統，其特征在于所述系統還包括連接多個獨立的射頻電源的相位轉換器，使用該相位轉 換器控制該多個獨立的射頻電源的相位彼此錯開180度，以向多個負電極相 應的每一個提供電能。
17. 如權利要求10-16中任一權利要求所述的系統，其特征在于 將負電極隔離開的接地正電極比負電極大。
18. 如權利要求10-16中任一權利要求所述的系統，其特征在于在等 離子體反應箱的沉積過程中，在多個基板上同時生長的薄膜是氫化硅薄膜， 包括非晶硅、準納米硅、納米硅以及它們的有摻雜或者無摻雜的合金薄膜。
全文摘要
本發明公開了一種使用高頻等離子體增強化學氣相沉積法通過控制其中等離子體鍍膜過程的射頻電場的相位來批量化地制備功能薄膜的方法和系統。在一個使用包含多個負電極的批量式等離子體反應器的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)過程中，為了避免在近距離電極之間高次諧波的產生和電場干擾，施加于鄰近負電極的射頻(RF)電場的相位彼此移開180度。鄰近電極之間的電場波將因為不同步且相位相反而相互抵消，避免干擾。這種等離子體激發方法尤其有利于在裝有許多個平行電極的巨型等離子體反應箱中，使在許多大型基板上同步沉積的薄膜均勻且具有重復性。
文檔編號C23C16/50GK101555592SQ20081009118
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月9日 優先權日2008年4月9日
發明者李沅民, 楊與勝 申請人:福建鈞石能源有限公司