[发明专利]大批量生产薄膜的等离子箱

说明书

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