专利名称：常压等离子发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种等离子发生装置，尤指一种常压等离子发生装置。
背景技术：
等离子体被称为物质的第四态。众所周知，在气压恒定的条件下， 处于热平衡的固体随着温度升高会变成液体。如果温度继续升高，液体就 会变成气体。当气体温度足够高时，气体中的分子就会分解为原子气。除 了偶尔发生碰撞之外，这些原子会在空间中随机地向各个方向自由运动。 如果温度再进一步升高，原子就会分解为带电的自由粒子(电子和正离 子)，此时物质进入等离子状态。
由于等离子放电可以产生具有化学活性的物质，所以被广泛用于材 料表面的处理。在集成电路制造工艺中，等离子可用于对晶圆表面进行刻
蚀、沉积、注入等处理。具体来说，例如通过CF4等离子放电对硅晶圆表 面进行刻蚀从而将掩膜板上的图形转移到硅晶圆上，通过02等离子体放 电在硅晶圓上形成二氧化硅薄膜，通过BF4等离子放电向硅晶圓中掺杂硼 原子等。
等离子体表面处理工艺的另一主要应用领域是薄膜太阳能电池的制 造。薄膜太阳能电池被称为第二代太阳能电池，其弥补了传统的单晶硅电 池制造成本高的缺陷，因此近年来薄膜太阳能电池取得了飞速发展。典型 的薄膜太阳能电池包括多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。 制造上述两种薄膜太阳能电池时均可采用等离子增强化学气相沉积 (PECVD)工艺对衬底进行镀膜。制造多晶硅薄膜电池时，使SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCU或SiH4等原料气体产生等离子放电，并使反应生成的多晶硅 沉积在加热的Si、 Si02、 Si3N4等衬底材料上从而形成薄膜。同样地，制 造非晶硅薄膜太阳能电池时，使经H2稀释的SiKU产生等离子放电，并使 反应生产的非晶硅沉积在玻璃、不锈钢片等村底上从而形成薄膜。
现有技术中的等离子发生装置的基本模型如图l所示，其包括一腔体10，于腔体10内设有连接到射频电源11的二金属平板电极12、 12，， 待处理的衬底放置于其中一平板电极12上。腔体10的侧壁上还开设有进 气口 13以及出气口 14。配合使用输气装置(图中未示)将原料气体经由 进气口 13向腔体10内输送，配合使用泵浦装置(图中未示)将内废气经 由出气口 14/人腔体10内抽出。通过射频电源11的激励，可4吏腔体10 内部在低压、真空的工作环境下使二金属平板电极12、 12，间的原料气体 产生等离子放电，从而对基片表面进行处理。
然而，上述装置的结构不能满足在正常大气压的工作环境下进行等 离子放电。其原因在于，在低压条件下(p-lmTorr lTorr)，腔体10内原 料气体温度可以保持在200 500°C,而在高压条件下(p二760Torr),腔体 10内原料气体温度可以达到IOOO(TC。因此，不仅会对等离子发生装置本 身造成损坏，同时还会使二金属平板电极产生金属污染物，从而对原料气 体造成污染。
因此，为了克服上述现有技术中的缺陷，出现了一种新的适合用于 常压下的等离子发生装置，如图2所示。该等离子发生装置20包括单端 开口的二石英管21、 22， 一感应线圈23， 一用于向石英管21内部输送原 料气体的第一输气管24, —用于向石英管22内部输送冷却气体的第二输 气管25。该石英管22有间隙地套设于石英管21夕卜，且二石英管21、 22 的开口端方向相同。该感应线圈23螺旋缠绕于石英管22的外管壁。通过 在感应线圈23两端连接电源装置(图中未示)，从而使石英管21内部的 原料气体产生等离子放电，所产生的反应生成物通过石英管21的开口端 沉积在村底表面。如前所述，在常压的工作环境下，原料气体由于产生等 离子放电会使其达到相当高的温度，因此在石英管22中通入冷却气体可 降低石英管21的温度，从而达到冷却的效果。
然而，虽然上述等离子发生装置20能够在一定程度上降低了石英管 21的管壁温度，但是仅靠冷却气体对充满高温原料气的石英管21进行降 温的效果有限。另一方面，在薄膜太阳能电池的制造中，待镀膜的玻璃村 底通常具有一定面积(一般长为125厘米、宽为30厘米)，但等离子发 生装置20中石英管21、 22的开口端呈圆形，因此限制了等离子发生装置 20在玻璃衬底上一次镀膜的面积，且不能均匀地进行镀膜，从而降低了 制造薄膜太阳能电池的效率和质量。
鉴于上述现有技术的缺陷，有必要提出一种新的技术方案以克服上
5述缺陷。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种常压等离子发生装置，利用三层石英 管的设计从而达到有效降低最内层石英管内等离子气体的温度，增加常压 等离子发生装置的一次作业面积，以及使对物体表面的处理更均匀的功 效。
达到上述目的，本实用新型的主要技术手段在于，提供一种常压等离
子发生装置，包括单端开口的第一石英管、第二石英管、第三石英管， 该第二石英管有间隙地套设于该第 一 石英管外，该第三石英管有间隙地套 设于该第二石英管外，且第一、第二、第三石英管的开口方向相同； 一用 于向该第一石英管内部输送原料气体的第一输气管，从外向内分别穿过第 三、第二、第一石英管的封闭端； 一用于向该第二石英管内部输送冷却气 体的第二输气管，穿设于第二石英管的管壁； 一用于向第三石英管内输送 额外冷却流体的第三输气管，穿设于第三石英管的管壁； 一感应线圈，螺
旋缠绕于该第二石英管或第三石英管的外表面； 一利用电感耦合原理使第 一石英管内部产生等离子体的电源装置，该电源装置的二电极分别与该感 应线圈的两端连接。
通过上述技术方案，可以有效地降低最内层石英管内等离子气体的温 度，从而避免了石英管和待处理材料表面的损坏。
进一步地，所述第一石英管的横截面的长度远大于宽度。通过上述装 置，可有效地增加常压等离子发生装置的一次作业面积，且均勻地对物体 表面进行处理，从而提高工作效率和质量。
图1为现有技术中等离子发生装置的基本模型示意图； 图2为现有技术中常压等离子发生装置的示意图； 图3为本发明的常压等离子发生装置一实施例的示意图； 图4为本发明的常压等离子发生装置一实施例的剖视图； 图5为本发明的常压等离子发生装置另一实施例的剖视图；以及 图6为本发明的常压等离子发生装置中石英管管口形状的实施例示 意图。
具体实施方式
如图3、图4为本发明常压等离子发生装置30的一实施例，其包括 第一石英管31、第二石英管32、第三石英管33、第一输气管34、第二输 气管35、第三输气管36、感应线圈37。
三石英管31、 32、 33是具有一封闭端和一开口端即管口的透明管体。 第一石英管31用于容纳进行等离子放电的原料气体，第二、第三石英管 32、 33用于容纳冷却气体。其中，第三石英管33的尺寸最大、第二石英 管32尺寸居中、第一石英管31尺寸最小。第三石英管33有间隙地套设 于第二石英管32外，第二石英管32有间隙地套设于第一石英管31外， 且三石英管31、 32、 33的管口方向一致，用于向待处理材料如硅晶圓或 玻璃衬底的表面进行例如等离子增强化学气相沉积(PECVD)等处理。
第一输气管34,其一端依次穿过石英管33、 32、 31的封闭端并插进 第一石英管31的内部，用于向第一石英管31内部空间输送如SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCU、 SiH4等用于进行等离子放电的原料气体。
第二输气管35，其一端依次穿过石英管33、 32的侧壁并插进第二石 英管32和第一石英管31之间形成的间隙中，用于向第二石英管32内部 输送冷却气体，并使冷却气体贴近第一石英管31的外管壁流动。该冷却 气体为不与上述原料气体产生化学反应的惰性气体。如前所述，由于本发
明的常压等离子发生装置30是在正常大气压(p=760Torr)的条件下使原 料气体产生等离子，会使等离子的温度达到IOOOO'C，因此通过向第二石 英管32内部输送冷却气体，可降低第一石英管31的管壁温度，从而避免 原料气体产生的等离子过热。另一方面，由于冷却气体与原料气体不会发 生化学反应，因此冷却气体犹如一道气墙包裹在原料气体产生的等离子外 部，从而避免了在对硅晶圆或玻璃衬底进行例如PECVD等处理时第一石 英管31管口的等离子向四处扩散以降低处理的效果。所述冷却气体不仅 可以沿第二石英管32的轴向输入管中，而且可以以螺旋流向输入第二石 英管32中，从而减少了于第一石英管31管口处的冷却气体与原料气体的 混合。
第三输气管36,其一端穿过第三石英管33侧壁并插进第三石英管 33和第二石英管32之间形成的间隙中，用于向第三石英管33内部输送 额外的冷却气体，并使冷却气体贴近第二石英管32的外管壁流动，从而对第二石英管32和第一石英管31进行进一步地冷却，从而大幅降低了原 料气体所产生的等离子的温度。所述额外的冷却气体是与第一石英管31 中原料气体及第二石英管32中冷却气体不产生化学反应的惰性气体或水 冷液体。此外，第三输气管36还可向第三石英管33和第二石英管32之 间的间隙中输送水冷液，并且配合使用泵浦装置从而亦能实现上述进一步 冷却的效果。额外的冷却气体亦可采用上述轴向式和螺旋式的输送方法。
一感应线圈37螺旋缠绕于靠近第三石英管33封闭端的外管壁处， 于本实施例中，所述感应线圈37的匝数为3,并且所述第一石英管31的 封闭端位于靠近感应线圈37的第一匝处。该感应线圈37的两端还分别与 电源装置(图中未示)的二极相连，所述电源装置可采用频率为13.56MHz 的射频电源。根据电感耦合等离子体原理(ICP),感应线圈37在电源装 置的激励下，会使石英管33中的原料气体发生电离，从而形成等离子体。
图5显示了本发明常压等离子发生装置30的另一实施例。于该实施 例中，常压等离子发生装置30的结构与前一实施例的区别在于，感应线 圈37螺旋缠绕于靠近第二石英管33封闭端的外管壁处。
在上述两个实施例中，本实用新型的常压等离子发生装置30采用了 具有矩形横截面的石英管31、 32、 33,并且其横截面的长度远大于宽度， 从而克服现有技术中由于石英管的横截面为圆形，进行PECVD等处理的 一次作业面积小且处理不均匀的缺陷。如图6所示，所述石英管31、 32、 33可采用不同的横截面形状，例如A为本实施例中的石英管管口形状， 其为圆矩形；B为梭形；C为骨形。此外，本领域的技术人员可以容易地 想到的是所述石英管31、 32、 33的横截面还可采用矩形(图中未示)。
使用常压等离子发生装置30对材料表面进行处理时，例如在薄膜太 阳能电池的制造中，对玻璃衬底进行镀膜时，为了进一步增加常压等离子 发生装置30—次镀膜的面积，可将复数个常压等离子发生装置30并排设 置使其管口覆盖整个玻璃衬底，并将玻璃村底在常压等离子发生装置30 的开口处进行相对运动，从而使整个玻璃衬底上沉积一层利用常压等离子 发生装置30产生的等离子。
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权利要求1. 一种常压等离子发生装置，包括单端开口的第一石英管及第二石英管，该第二石英管有间隙地套设于该第一石英管外，且第一、第二石英管的开口方向相同；一用于向该第一石英管内部输送原料气体的第一输气管，从外向内分别穿过第二石英管和第一石英管的封闭端；一用于向该第二石英管内部输送冷却气体的第二输气管，穿设于第二石英管的管壁；其特征在于，该等离子发生装置还包括一单端开口的第三石英管，其有间隙地套设于该第二石英管外，且第三石英管开口方向与第一、第二石英管的开口方向相同，该第一输气管从第三石英管的封闭端穿过；一用于向第三石英管内输送额外冷却流体的第三输气管，穿设于第三石英管的管壁；一感应线圈，螺旋缠绕于该第三石英管的外表面；一利用电感耦合原理使第一石英管内部产生等离子体的电源装置，该电源装置的二电极分别与该感应线圈的两端连接。
2. 如权利要求1所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述第 一石英管的管口横截面的长度大于宽度。
3. 如权利要求2所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述第 一石英管的横截面为矩形、圓矩形、梭形或骨形。
4. 如权利要求3所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述冷 却气体为惰性气体，所述额外冷却流体是惰性气体或水冷液体。
5. 如权利要求4所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述第 一石英管的封闭端位于接近于感应线圈的第 一 匝处。
6. —种常压等离子发生装置，包括单端开口的第一石英管及第二 石英管，该第二石英管有间隙地套设于该第一石英管外，且第一、第二石 英管的开口方向相同；一用于向该第一石英管内部输送原料气体的第一输 气管，从外向内分别穿过第二石英管和第一石英管的封闭端；一用于向该 第二石英管内部输送冷却气体的第二输气管，穿设于第二石英管的管壁； 其特征在于，该等离子发生装置还包括一单端开口的第三石英管，其有间隙地套设于该第二石英管外，且第三石英管开口方向与第一、第二石英管的开口方向相同，该第一输气管从第三石英管的封闭端穿过；一用于向第三石英管内输送额外冷却流体的第三输气管，穿设于第三石英管的管壁；一感应线圈，螺旋缠绕于该第二石英管的外表面；一利用电感耦合原理使第 一石英管内部产生等离子体的电源装置，该电源装置的二电极分别与该感应线圈的两端连接。
7. 如权利要求6所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述第 一石英管的横截面的长度远大于宽度。
8. 如权利要求7所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述第 一石英管的横截面为矩形、圓矩形、梭形或骨形。
9. 如权利要求8所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述冷 却气体为惰性气体，所述额外冷却流体是惰性气体或水冷液体。
10. 如权利要求9所述的常压等离子发生装置，其特征在于，所述 第 一石英管的封闭端位于接近于感应线圈的第 一匝处。
专利摘要本实用新型提供一种常压等离子发生装置，包括一第一石英管；一第二石英管，有间隙地套设于该第一石英管外；一第三石英管，该第三石英管有间隙地套设于该第二石英管外，且三石英管的开口方向相同；一感应线圈，缠绕于该第二或第三石英管外表面；一连接于该感应线圈的两端电源装置；一用于向该第一石英管内部输送原料气体的第一输气管；一用于向该第二石英管内部输送冷却气体的第二输气管；一用于向第三石英管内输送额外冷却流体的第三输气管。通过上述技术方案，可以能有效地降低最内层石英管内等离子气体的温度，并可有效地增大常压等离子发生装置的一次作业面积，从而提高了工作效率。
文档编号C23C16/513GK201313936SQ20082015577
公开日2009年9月23日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者西蒙·I·塞利斯特 申请人:上海兴燃能源技术有限公司