VHF—PECVD系统能量馈入模式对薄膜均匀性的影响

胡德志，吴金随，官爱强，彭 涛

(1.华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601;2.华北科技学院基础部，北京东燕郊 101601)

VHF—PECVD系统能量馈入模式对薄膜均匀性的影响

胡德志1，吴金随2，官爱强2，彭 涛2

(1.华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601;2.华北科技学院基础部，北京东燕郊 101601)

为了解决甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF－PECVD)制备薄膜的非均匀性问题，采用准平面电路模型计算，给出了平板电极间电势的非均匀分布规律。在计算模型中，射频源采用面馈入的模式取代了点馈入的模式，使计算结果更贴近实际。研究表明，在60 MHz甚高频作用下，如果方形平板电极的边长超过1.3 m，电势分布非均匀度将超过10%。此外，研究还发现:如果射频源功率馈入端圆形接触面的半径从1 mm增加到22 mm，电势分布非均匀度相对降低了45%，将大大的提高薄膜的均匀性。同时，计算结果还表明:在条件允许的情况下，如果继续增加功率馈入端的半径，平板电极间的电势分布的非均匀性还能进一步降低。

电磁场与电磁波;材料成型及控制;薄膜技术;准平面电路模型

0 引言

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为一种传统的制膜技术，兼备了化学气相沉积和等离子体高活化能、低反应温度的优点。特别适合于半导体薄膜和化合物薄膜的合成，被视为第二代薄膜技术。PECVD法利用辉光放电形成的等离子体来激活化学气相沉积反应。通过PECVD法使原本需要在高温下才能进行的化学反应在较低的温度，甚至在常温下也能进行。随着太阳能薄膜电池行业的飞速发展，开启了PECVD制备设备的研发热潮。大多数的晶硅和非晶硅太阳能的生产企业都应用了PECVD制备技术来生产太阳能薄膜电池。为了适应生产的需要，各种新型的PECVD设备层出不穷［1－5］。

由起初的RF－PECVD发展出DF－PECVD用了近二十年的时间，但从DF－PECVD到VHF－PECVD仅用了数年的时间，现在VHF－PECVD技术的发展更是日新月异［6－13］。为了提高电池板光电转换的量子效率，提高系统发电能力，工业生产中制备出来的单片太阳能电池板面积已经超过了1 m2。生产电池板所使用的反应室长度也超过1 m。实验中人们发现在反应室内，应用VHF甚高频时，电势驻波效应严重影响到薄膜的均匀性。它大幅度降低太阳能薄膜电池光电转换的量子效率，严重影响了产品质量。在VHF甚高频下，如何提高薄膜的均匀性成为一个非常重要的问题。

2004年，瑞士L.Sansonnens提出准平面电路模型，研究VHF－PECVD技术与RF－PECVD技术产生的电势分布不均匀度的区别，提出了高频源多点馈入的方法提高电势分布的均匀性［14，15］，但是电势分布均匀性还是较差。2006年他又提出改变PECVD平板电极为透镜电极的想法，使电势分布均匀性达到工业生产的需要［16，17］。但是，特殊的电极导致腔体的设计复杂化维护困难，生产成本高，不利于产业发展。2010年美国M.J.Kushner小组提出将电导率完全相同的平板电极变为电导率分块变化的分级式电极，并且通过流体模型模拟得到了工作腔内电场分布和电子能量分布，但是该设备最大的问题是制作电极十分困难［18－21］。

本文基于深入了解薄膜非均匀性受PECVD结构和工艺影响的关系为出发点，分析了不同情况下电极间电势分布的特点，模拟了不同频率下的电势，以及不同形状电极对电势的影响，最后探讨了不同的功率馈入端接触面积对电势均匀性的作用。

1 模型和模拟方法

本文利用准平面电路模型计算PECVD设备两平板电极间的电势分布。准平面电路模型不考虑电极边缘的电磁场分布，仅计算在电极中央区域的电势分布，即重点研究电极间电势驻波效应。准平面近似，即假设电极表面曲率一致，仅考虑垂直于电极平面纵向电场分量，而忽略平行于电极平面横向电场分量。因此，可以用电磁场Maxwell方程组得出描述两平板电极间TEM波传播的方程［14，15］。

式中，Δt为横向微分算符，V为极间电势，Jz为电流密度，Z为极板单位面积上的阻抗，Y为极板单位面积介质的导纳。

由方程(1)(2)可以看出，准平面电路模型通过导纳Y和阻抗Z两参数可以考虑等离子体和电极间距发生微小变化时的极板间电势分布情况。串联阻抗Z表示为

式中d是两极板间距，ω是激发角频率，ε0是真空介电常数，μ0是真空磁导率，ε是两平板电极间介质的相对介电常数。因此，对于给定的激发角频率ω和极板间距d，平板电极单位面积上的阻抗Z为常数。在真空条件下，单位面积介质的导纳Y可以表示为

本文将讨论大面积平行板电极PECVD反应室模型(如图1a所示)，将(1)(2)(3)(4)联立可以写出顶部极板间的电势Vt和底部极板间的电势Vb的波动方程:

图1 平板电极PECVD反应室电势分布计算模型

准平面电路模型将三维电磁场沿电极间距方向上进行了积分。因此，将方程(5)和(6)在如图1b所示的二维平面内进行求解，Lx和Ly分别为电极板的长和宽，计算区域边界等效于功率电极的边界。考虑在极板边缘电势和电流连续性条件，方程(5)和(6)在边界处满足下列边界条件:

式中:n为边界向外的单位法向矢量。

这样，反应室极板间的电势分布由方程(5)和(6)及边界条件(7)，(8)式决定。另外，图1中仅考虑的是中心功率馈入端面馈入方式。本文使用偏微分方程软件FlexPDE6对偏微分方程(5)和(6)进行求解。计算中需要输入电源激发频率f，极板长度Lx和宽度Ly。仪器固定参数dt=0.6 cm和db=2.5 cm。计算中，考虑到实际等离子体产生仅在底部电极间区域，所以仅讨论底部电极间的电势分布情况。同时，对底部极板间电势Vb做极大值归一化处理，并应用文献中公式△V= (Vmax－Vmin)/(Vmax+Vmin)计算Vb分布的非均匀性，其中 Vmax和 Vmin分别 Vb的极大值和极小值［4］。

2 计算结果及讨论

本文首先以正方形平行极板为例，采用中心圆形面馈入方式，馈入端半径r设为1 mm，讨论在60 MHz激发频率下极板面积增加对Vb分布均匀性的影响。计算了方形电极边长从0.1 m逐渐增加到2 m的过程中电极间电势分布的非均匀性(如图2所示)。

图2 方形平板底电极电势Vb分布的非均匀性随边长变化的规律

由图2可知:随着方形电极边长的不断增加，电极间电势Vb分布的非均匀性逐渐提高。当Lx=0.3 m时，电势Vb的非均匀性仅为0.5%;当Lx=0.5 m时，电势Vb的非均匀性为1.5%;当Lx=1.0 m时，电势Vb的非均匀性为6%;而当Lx=1.3 m时，电势Vb的非均匀性已超过10%。由以上计算可知，当反应室电极边长接近60 MHz电源所激发的电磁波的四分之一波长(l=1.25 m)时，电极间电势的非均匀分布必须考虑;而当反应室电极边长超过电源所激发的电磁波的四分之一波长时，薄膜的非均匀性将成为影响电池质量的最主要因素。

对于图2中的子图，纵轴z代表电势，xy面代表平板电极所在的平面。三个子图分别代表边长Lx=Ly=0.5 m、Lx=Ly=0.8 m、Lx=Ly=1.0 m时底电极电势Vb的分布情况。通过对比可知:三个子图都是中心高，四边低，像一个山峰型状，这是二维驻波形电势的表现。这表明电势分布的非均匀性是由驻波效应引起的。从三个子图还可以看出随着电极边长的增加，电势分布的非均匀性也随之增加。

为了更清楚地了解激发频率和反应室电极的尺寸对电极间电势分布非均匀性的影响，还计算了1 m2方形平板电极反应室内，不同激发频率对电极间电势分布非均匀性的影响。仍然采用中心圆形面馈入方式进行研究。首先，假设功率馈入端圆面的半径r为1 mm，模拟得到了激发频率f从10MHz增加到120MH时底电极电势非均匀性分布变化的规律(如图3所示)。

图3 方形平板底电极电势Vb分布非均匀性随激发频率变化的规律

从图3的三个子图对比，可以看出，平板电极的中心电势高，四周电势低，驻波效应仍然是导致电极间电势分布不均匀的主要原因。而从图3的曲线可以看出，随着激发频率的增加，电势分布的非均匀性也随之增加。当频率为10MHz时，电极间电势Vb分布的非均匀性为0.17%;当频率为27.12 MHz时，电极间电势Vb分布的非均匀性为1.2%;而当频率提高到80 MHz时，电势Vb分布非均匀性超过10%，它将严重影响薄膜质量。深入分析发现:当激发频率为80 MHz时，激发波长λ为3.75 m，其四分之一波长小于反应室电极的边长，满足驻波形成的必要条件，正好可以解释其电势非均匀性较大的原因。因此，制备薄膜过程中，如果要选择VHF激发频率，那么为了使薄膜质量较好，就不能选择对应的四分之一波长小于反应室电极边长的激发频率。否则，电势驻波效应将严重影响薄膜的质量。

根据文献［10］报道，功率馈入点数量和位置对大面积平板电极间的电势分布有重要影响，但是对PECVD设备的改动比较大，大大增加了生产成本，同时也加大了能耗。如果仅仅更换功率馈入端的方法来提高电势分布的均匀性，将大大降低设备改造的成本。因此，本文选择了基本可行的设计方案:平板电极的边长Lx=Ly=1.0m，激发频率为60MHz，计算了半径r由1mm变化到22 mm的中心圆形面馈入、电极间电势Vb分布非均匀性变化的规律(如图4所示)。

图4 方形平板底电极电势Vb分布非均匀性随功率馈入端圆形接触面的半径变化的规律

由图4可知:当r=1 mm，电极间电势Vb分布的非均匀性为6%。当r=10 mm时，电极间电势Vb分布的非均匀性为5.1%。当r=22 mm时，电极间电势Vb分布的非均匀性为3.3%，和 r=1 mm的电势非均匀性相比，相对降低了45%。可见，随着功率馈入端接触面积的增加，电极间电势分布的非均匀性大幅度下降。这表明:增加功率馈入端的接触面积，可以很好地抑制电极间电势驻波效应对电势分布非均匀性的影响。

3 结论

(1)本文从Maxwell电磁场方程组出发，利用两极板间TEM波传播的方程推导出极板间电势波动方程。结合准平面电路模型模拟得到甚高频下不同极板面积对应的电势分布不均匀度。结果表明极板面积越大，电势分布不均匀性越大。

(2)为了更好地研究甚高频对电势分布不均匀性的影响，本文模拟了相同极板面积条件下，激发频率从10 MHz变化到120 MHz时电势分布不均匀度变化的结果。研究表明:高频情况下不均匀性很小，甚高频下呈现加速增加的趋势，上升很快。

(3)本文打破了一直以来射频源功率馈入采用点馈入的计算模式，考虑到PECVD设备实际情况，采用了面馈入模式进行了模拟。重点对射频源功率馈入端接触面积的变化对电势分布非均匀性进行研究，结果表明:当馈入端接触面积增加时，电势分布的非均匀性显著降低。给出了一种改良PECVD设备的新途径，仅仅通过增加馈入端的接触面积就可以提高电极间电势分布的均匀性。

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Influence of the feed－in power mode in VHF－PECVD system on the film uniformity

HU De－Zhi1，WU Jin－Sui2，GUAN Ai－Qiang2，PENG Tao2

(1.College of Electrical and Mechanical Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China; 2.Department of Basic courses，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

To solve the problem of the non－uniformity of film preparation by VHF－PECVD，the quasi－planar circuit model is used to study the non－uniform distribution rule of the planar inter－electrode potential.In the computing model，the radio frequency source adopts the planar feed－in mode replacing the dot feed－in mode，which is more practical.The results show that under the VHF of 60 MHz，the non－uniformity of potential distribution is larger than 10%if the planar electrode length is more than 1.3 m.Otherwise，the results also show that the relative non－uniformity of the potential distribution decreases 45%if the radius of the planar feed－in power increases from 1 mm to 22 mm，which will significantly improve film uniformity.The results also indicate that the more the area of the planar feed－in power，the less the non－uniformity of the potential distribution.

electromagnetic field and electromagnetic wave;materials processing and controlling;thin film technology;quasi－planar circuit model

O484

A

1672－7169(2016)06－0073－05

2016－10－15

中央高校基本科研业务费资助(3142014035)

胡德志(1980－)，男，湖北潜江人，硕士，华北科技学院机电工程学院副教授，研究方向:非金属薄膜材料制备。E－mail: hudezhi@ncist.edu.cn