大面积薄膜沉积pecvd电极结构及设备的制作方法

大面积薄膜沉积pecvd电极结构及设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及PECVD镀膜【技术领域】，特别是一种大面积薄膜沉积PECVD电极结构；包括阳极和阴极，其特征在于：所述阳极和所述阴极平行相对设置，所述阳极和所述阴极竖直设置在设备的真空腔体内，所述阴极上设置有复数个供气孔和2个以上的排气孔，基板放置在所述阳极的正反两面附近；本实用新型同时还提供了一种大面积薄膜沉积PECVD设备；通过采用本实用新型的技术方案能够防止高阶硅烷的生成，并提高薄膜的沉积速度、提高薄膜的质量、提高生产效率、降低生产成本。
【专利说明】大面积薄膜沉积PECVD电极结构及设备

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及PECVD镀膜【技术领域】，特别是一种大面积薄膜沉积PECVD电极结 构及设备。

【背景技术】
[0002] 近年来，随着平板显示器（FPD)以及太阳能电池的发展，产品的更新换代速度在 不断地提升，其尺寸在不断地加大、其性能不断地在提高。由于产品尺寸的加大，因此以往 生产小尺寸产品所使用的设备以及技术，不能应用于大尺寸产品。
[0003] 如果利用以往小型基板中使用的设备的设计理念生产大尺寸产品，就会出现沉积 速率慢、膜厚不均、缺陷增多、转换效率低、良品率低等问题。例如：在薄膜太阳能电池的生 产中，以往的非晶半导体电池是单结的电池，制造相对容易，但是，光电转换效率在10%以 下，近年来，随着科学技术的进步，新型太阳能电池在不断地开发，转换效率在不断地提高， 薄膜硅太阳能电池也是如此，由于以往单结太阳能电池的转换效率相对低，开发的双结或 多结太阳能电池转换效率相对高，多数厂家都向多结太阳能电池（也称之为叠层太阳能电 池）转型升级。
[0004] 一般非晶硅薄膜太阳能电池是在基板上形成透明电极后，再形成p(n)层、i层、 n(p)层、背面电极，然后，根据需要在背面贴合保护层，再加一片玻璃等保护起来并引出电 极。当然，不排除各层利用晶硅和非晶的结合型单结太阳能电池。
[0005] 多结硅基薄膜太阳能电池与单结硅基薄膜太阳能电池相同，它是在原来的非晶硅 P(n)层、i层、n(P)层的P(n)-i-n(P)结构（一般称为顶层或上层电池）上，再形成微晶或 多晶构成的P(n)层、i层、n(p)层的p(n)-i-n(p)结构（一般称之为上层或底层电池）、然 后，再形成背面电极，在背面贴合保护层，再加一片玻璃保护起来，形成叠层电池。根据情况 需要，在底层和上层之间有时还增加一层透明导电层。
[0006] 多结硅基薄膜太阳能电池是在原来的由非晶半导体薄膜如非晶硅（a-Si)薄膜组 成的太阳能电池基础上，又增加了微晶或结晶半导体薄膜的多层叠加结构。如：在原有非晶 硅电池的基础上叠加微晶硅（uc-Si)或多晶层（c-Si)，利用不同半导体薄膜吸收不同波长 的太阳光，能够提高产品的光电转换能力。然而，在太阳能电池的生产过程中，即使在非晶 薄膜太阳能电池生产中能够满足生产需要的设备和技术，如果用于生产微晶（结晶）或非 晶半导体与非晶半导体叠层薄膜太阳能电池中，就不能满足生产的需要了，因此，设备需要 进行不断地改进、技术需要不断地创新。
[0007] 另外，除了上述叠加太阳能电池外，还有三层或多层的太阳能电池。也就是需要继 续在叠层太阳能电池上叠加类似的结构。
[0008] 利用传统的平板电极在1400mmX 1100mm以上大型基板形成薄膜时，由于面积的 增大，难以形成均匀厚度、均匀膜质，特别是微晶硅薄膜的形成过程中，沉积速率更慢。
[0009] 反应后气体难以排出，会在基板上继续与硅烷气体等继续反应，形成高阶气体，特 别是在基板的中间部位的气体，反应后气体距离两端的排放口比较远，反应后气体，如果从 基板两端排气时，由于基板面积大，气体在排气过程中，流动行程长，很难避免在排气中反 应过后气体会继续发生反应，生成新的物质。特别是反应生成的高阶硅烷，在没有及时排出 的情况下，会继续反应，由于在反应中会产生微粒子，因为微粒子重力的原因，沉积在薄膜 中。此时，如果水平设置在下面电极的基板，就会构成薄膜缺陷，降低薄膜质量和成品率，特 别是会引起上述的光致衰减和失效衰减问题。
[0010] 另外，水平设置基板的PECVD设备一般只能设置一片基板进行薄膜沉积，如果要 同时沉积多片基板的话，只能横向加大沉积电极的面积，对于本来就很大的5代设备而言， 继续加大设备显然是不现实的问题。只有改变设备的整体结构才能有更高的生产效率。 实用新型内容
[0011] 本实用新型为了解决目前传统的PECVD设备生产大尺寸的产品时存在上述的问 题而提供的能加快成膜过程中的排气速度，降低二次反应生成的高阶硅烷，降低薄膜表面 的缺陷，提高薄膜质量，同时提高微晶硅或多晶硅的成膜速度，形成高质量的薄膜，提高薄 膜硅太阳能电池的转换效率的一种大面积薄膜沉积PECVD电极结构及设备。
[0012] 为达到上述功能，本实用新型提供的技术方案是：
[0013] 一种大面积薄膜沉积PECVD电极结构，包括阳极和阴极，其特征在于：所述阳极和 所述阴极平行相对设置，所述阳极和所述阴极坚直设置在设备的真空腔体内，所述阴极上 设置有复数个供气孔和2个以上的排气孔，基板放置在所述阳极的正反两面附近。
[0014] 优选地，所述供气孔距离所述基板的距离小于所述排气孔距离所述基板的距离。
[0015] 优选地，复数个所述的供气孔均匀地设置在所述阴极上，两个相邻的供气孔之间 的距离不大于1〇_。
[0016] 优选地，所述供气孔的气体总流量大于所述排气孔的气体总流量。
[0017] 优选地，所述排气孔呈喇叭状。
[0018] 优选地，两个相邻的所述供气孔之间的距离不大于7_。
[0019] 本实用新型还提供一种大面积薄膜沉积PECVD设备，包括一个以上的真空腔体和 上述述的大面积薄膜沉积PECVD电极结构。
[0020] 优选地，所述阴极和所述阳极之间设置有移动机构，所述移动机构驱动所述阳极 相对于所述阴极往返移动，移动距离小于相邻两个所述供气口之间的距离。
[0021] 优选地，所述阴极固定安装在所述真空腔体内，所述阳极固定在小车上，所述小车 上设置有在所述真空腔体内外移动的运动机构。
[0022] 优选地，所述真空腔体内并列设置有多个PECVD电极结构，所述阴极的背面设置 有排气空间，所述排气孔与所述排气空间连通。
[0023] 本实用新型的有益效果在于：
[0024] 1、基板立式放置，有利于防止基板弯曲，另外与水平放置的方式相比，有利于大幅 度提高生产效率；
[0025] 2、由于阴极上均匀设置有多个供气孔，因此有利于在大面积基板上形成膜厚均匀 的薄膜；
[0026] 3、通过设置多个排气孔，能快速排走反应后的气体，避免高阶硅烷等的生成，提高 薄膜的质量，降低生产成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1为实施例一的结构示意图；
[0028] 图2为阴极中省略供气气路的结构示意图；
[0029] 图3为阴极中省略排气气路的结构示意图；
[0030] 图4为实施例二的结构示意图。

【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图1至附图4对本实用新型作进一步阐述：
[0032] 实施例一：
[0033] 如图1所示的一种大面积薄膜沉积PECVD电极结构，包括阳极101和阴极102,阳 极101和阴极102平行相对设置，阳极101和阴极102坚直设置在设备的真空腔体100内， 阴极102上设置有复数个供气孔105和2个以上的排气孔107,基板103放置在阳极101的 正反两面附近。
[0034] 为了便于叙述，我们把本实用新型的大面积薄膜沉积PECVD电极结构和采用这种 电极结构的设备结合在一起进行描述说明。
[0035] 本实用新型的设备含有多个真空腔体009,在本实施例中，至少有两个真空腔体 009内设置有本实用新型的电极结构，如图1所示，在真空腔体009内坚直且平行设置两个 阳极101和4个阴极102,每个阳极101的正反两面分别相对设置有一个阴极102,在本实 施例中，阳极101固定安装在小车009上，小车009可在真空腔体009内外运动。
[0036] 在小车009内上阳极101的正反两面附近分别坚直固定有基板103,基板103与 阳极101相对平行，在本实施例中，基板103使用玻璃基板。阴极102内均匀设有若干个供 气口 105和2个以上的排气口 107。尽管利用2个排气口 107能够排除掉反应后气体，但 是，为了尽可能地提高基板103表面存在均匀的气体质量，或均匀的气体分布，均匀地将反 应后气体及时排除，因此，最好在阴极102上均匀地设置多个排气口 107,为了便于排气，排 气口 107可以做成喇叭状以提高排气效率。
[0037] 如图2所示，在本实施例中，在阴极102上均匀设置了多个供气口 105和排气口 107,为了便于理解，图2中省略了供气气路106,排气口 107设置在周围4相邻的供气孔105 的正中间。供气口 105之间的距离最好在10cm以内。更希望在7cm以内。由于阴极102上 连接着高频电源，在阴极102表面、特别是在供气口 105端部会形成电场集中，等离子强度 也相对强，从供气口 105喷出的气体会被加热、激励，形成游离基，最后沉积为薄膜。但是， 由于局部电场，等离子空间相对小，如果供气口 105之间的距离大于10cm的话，两个供气口 105中间形成的等离子密度相对较小，会降低在基板103上形成薄膜的厚度，最后导致基板 上的薄膜会厚度不均，因此，要在l〇mm之内，最好在7cm之内，这样会形成更加均匀的薄膜。
[0038] 排气气路108和供气气路106分别与排气孔107和供气孔105相连通。由于排气 气路108和供气气路106在加工方面的比较耗费工时，也可以利用不锈钢管和不锈钢板焊 接形成阴极102。
[0039] 为了防止在沉积过程中，产生粉末，小车009定位后，电极面和重力方向大致平 行，电极成坚立方向。当基板103使用玻璃基板时，由于玻璃基板可以在站立的状况下进行 搬运，不仅不会产生玻璃基板的下弯现象，而且还具有便于操作的优点。
[0040] 由于本实用新型的阳极101和阴极102采用立式设置，因此一个阳极101上可以 设置两个基板103,是传统的水平设置数目的2倍，设置2个阳极101就能够设置4片基板 103,随着阳极101设置数目的增多，基板101的数量与水平设置基板的数目相比，会成倍地 提商，因此，站立设置基板方式能够大幅度地提商生广效率。
[0041] 阳极101内设置有加热器104,能够将设置在阳极101的附近的基板103利用辐射 加热，使基板103保持恒定的温度，阳极101内设置的加热器104利用温度控制器进行控制 (图中未示出），温度控制器根据对基板103检测温度，对加热器104的温度进行控制，使基 板103的温度保持在一定温度范围内，这样能够确保成膜温度的稳定，有利于形成均匀膜 厚和均匀膜质。在使用过程中，利用基板夹具109将基板103固定。
[0042] 在本实施例中，供气口 105距离基板103的距离小于排气口 107距离基板103的距 离。由于成膜气体要在真空腔体100内的气体之间进行反应然后在基板103上生成薄膜， 因此，供气口 105的气体流量要大于排气口 107的流量，供气口 105端面要尽量小，另外，供 气口 105的面积要大于左右排气口 107的面积，这样才能保持稳定的气体反应，合理地配置 排气泵，避免能源浪费。
[0043] 供气孔105气体总流量要大于排气口 107的气体总流量是因为原料气体进入腔体 后要进行相应的反应，如果排气量大于供气量的话，原料气体在腔体内的反应时间会很短， 不利于气体的分解与沉积，在一定程度上会造成气体的浪费，更重要地是会降低腔体内薄 膜的沉积速度。
[0044] 当本实用新型的设备利用真空泵（图中未标出）将真空腔体100抽真空后，在高 真空压力下，在阴极102和阳极101之间施加高频电源，形成了电场，在阴极102的供气口 105的端部会形成电场集中现象效应，在电场作用下，电子和气体分子碰撞，气体分离成等 离子，供气口 105形成产生等离子的起点，送进的气体被加热激励，在等离子空间111中，产 生辉光放电，在基板103上沉积一层薄膜。
[0045] 在沉积薄膜时，供气口 105的压强大于等离子空间111的压强，同时，距离基板103 较远的排气口 107与排气真空泵（图中未示出）相连，因此，反应后的气体会及时地被新送 入的气体排挤到距离基板103较远的一侧，也就是说反应过后的气体会被及时地排挤到排 气口 107的附近，然后通过排气气路108将反应后的气体从排出口 202排除设备外，进行相 应的处理。这种电极结构能够避免了反应后气体如SiH2等与硅烷气体的再次反应，生成高 阶硅烷（Si nHm)气体。抑制了反应后气体的反复反应，减少或排除了生成薄膜中不希望出现 的商阶娃烧等，降低了由于商阶娃烧等生成的粉末或薄I旲，提商的薄I旲的质量，避免了由于 1?阶娃烧等造成的光致哀减现象，从而能够进一步提1?光电转换器件的转换效率。
[0046] 一般地，阴极102上有多个供气口 105和至少2个排气口 107,为了实现均匀的薄 膜厚度和均匀的薄膜质量，能够高效率低生产，
[0047] 在平板阴极102上，设置了多个高出阴极102、均匀分布的供气口 105,同时在平 面阴极102上也设置了排气口 107,排气口 107是为了排除反应后的气体，避免了反应生成 的SiH2等气体继续与硅烷气体反应，生成薄膜中不希望的高阶硅烷等，高阶硅烷除了会生 成粉末状缺陷外，还是导致光致衰减的原因之一，因此，在基板103上设置至少2个排气口 107,这样能够加快反应后气体的即及时排除，能够抑制高阶硅烷气体等的出现。
[0048] 由于产品的大型化，不利于基板103的单独搬运，为了能够方便的将基板103设置 在电极101附近，在本实施例中，阳极101固定安装在小车009上，与小车009成为一体，阴 极102固定设置在真空腔体100内，小车009的底部设置有运动机构112使小车009能够 在真空腔体100内外之间移动，在本实施例中，运动机构112采用滚轮。这样便于从真空腔 体009外部将基板103设置阳极101附近，在生产过程中，一般通过机械手、或专用的装载 机械将基板103送入小车009。为了防止给基板103表面或基板103表面的薄膜带来损伤， 本实用新型中，基板103和阳极101之间没有直接接触，而是利用阳极101上下部分设置的 基板夹具109固定基板103,减少了一些不必要的接触，防止了产品的划伤等缺陷。
[0049] 真空腔体100内部固定着阴极102,阴极102上的供气气路106和排气气路108 分别与设备外的相应气路连接，排气气路108与排气真空阀相连接，小车009进入真空腔体 100内后，基板103和阴极102处于相对且平行状态，利用阳极101内设置的加热器104辐 射，使基板103均匀地受热，阳极101、阴极102分别连接着高频电源，在抽真空状态下，进行 薄膜沉积。
[0050] 如图3所示，为了便于理解，图3中省略了排气气路108,阴极102的供气气路106 的供气口 302上，设置有多个气体入口，连接着至少2个导气管（图中未示出），导气管将成 膜所需气体送至阴极102,在阴极102的供气气路106中一边流动一边混合，最后从供气口 105喷出。
[0051] 在本实施例中，供气气路106与排气气路108大致相同，供气气路106与排气气路 108分别布置在阴极102的厚度方向的上下部分。
[0052] 为了能使沉积的薄膜更加均匀，阴极102和阳极101之间设置有移动机构（图中 未示出），移动机构驱动阳极101相对于阴极102循环往返相对运动，移动距离小于相邻两 个供气口 105之间的距离。在本实施例中，移动机构为设置在小车009底部的凸轮，凸轮转 动时驱动小车009进行上下缓慢运动，因此能够使薄膜膜厚更加均匀，薄膜质量更加稳定。
[0053] 实施例二：
[0054] 在本实施例中，与实施例一相同的部分使用相同的标号，在本实施例中主要围绕 与实施例一不同的部分进行详细的说明。
[0055] 本实施例通过排气空间108a与排气孔107连通进行排气。
[0056] 如图4所示，在本实施例中，排气空间108a通过如下方式形成：靠近真空腔体100 侧壁的排气空间l〇8a是利用阴极102背面与真空腔体100侧壁之间的空间形成排气空间 108a ;中间部分的排气空间108a是通过位于中间的两阴极102背面构成的。与实施事例1 相比较，实施事例2的设备虽然占用的真空腔体100空间较大但是阴极102加工较为容易。
[0057] 以上所述实施例，只是本实用新型的较佳实例，并非来限制本实用新型的实施范 围，故凡依本实用新型申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应 包括于本实用新型专利申请范围内。
【权利要求】
1. 一种大面积薄膜沉积PECVD电极结构，包括阳极和阴极，其特征在于：所述阳极和所 述阴极平行相对设置，所述阳极和所述阴极坚直设置在设备的真空腔体内，所述阴极上设 置有复数个供气孔和2个以上的排气孔，基板放置在所述阳极的正反两面附近。
2. 如权利要求1所述的大面积薄膜沉积PECVD电极结构，其特征在于：所述供气孔距 离所述基板的距离小于所述排气孔距离所述基板的距离。
3. 如权利要求1所述的大面积薄膜沉积PECVD电极结构，其特征在于：复数个所述的 供气孔均匀地设置在所述阴极上，两个相邻的供气孔之间的距离不大于l〇mm。
4. 如权利要求1所述的大面积薄膜沉积PECVD电极结构，其特征在于：所述供气孔的 气体总流量大于所述排气孔的气体总流量。
5. 如权利要求1所述的大面积薄膜沉积PECVD电极结构，其特征在于：所述排气孔呈 喇叭状。
6. 如权利要求3所述的大面积薄膜沉积PECVD电极结构，其特征在于：两个相邻的所 述供气孔之间的距离不大于7mm。
7. -种大面积薄膜沉积PECVD设备，包括一个以上的真空腔体，其特征在于：所述的大 面积薄膜沉积PECVD设备还包括如权利要求1至6任意一项所述的大面积薄膜沉积PECVD 电极结构。
8. 如权利要求7所述的大面积薄膜沉积PECVD设备，其特征在于：所述阴极和所述阳 极之间设置有移动机构，所述移动机构驱动所述阳极相对于所述阴极往返移动，移动距离 小于相邻两个所述供气口之间的距离。
9. 如权利要求7所述的大面积薄膜沉积PECVD设备，其特征在于：所述阴极固定安装 在所述真空腔体内，所述阳极固定在小车上，所述小车上设置有在所述真空腔体内外移动 的运动机构。
10. 如权利要求7至9任意一项所述的大面积薄膜沉积PECVD设备，其特征在于：所述 真空腔体内并列设置有多个PECVD电极结构，所述阴极的背面设置有排气空间，所述排气 孔与所述排气空间连通。
【文档编号】C23C16/50GK203878210SQ201420216348
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】范四立, 李龙根, 熊长炜, 李柳强 申请人:东莞职业技术学院