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1、(10)申请公布号 CN 102487572 A (43)申请公布日 2012.06.06 C N 1 0 2 4 8 7 5 7 2 A *CN102487572A* (21)申请号 201010571104.X (22)申请日 2010.12.02 H05H 1/46(2006.01) (71)申请人理想能源设备有限公司 地址英属维京群岛托托拉岛罗德城三一会 4301 (72)发明人陈金元 董家伟 杨飞云 于磊 宋晓宏 (74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人骆苏华 (54) 发明名称 等离子加工装置 (57) 摘要 本发明提供了一种等离子加工装置，包括：真 。
2、空腔室；等离子反应腔，位于所述真空腔室内，用 于进行等离子加工工艺；射频功率源，用于向所 述等离子反应腔提供射频信号；射频功率传输单 元，用于将所述射频功率源提供的射频信号传输 至所述真空腔室的等离子反应腔内，所述射频功 率传输单元包括传输所述射频信号的传输线，以 及用于屏蔽所述传输线的电磁场的外导体。本发 明射频传输单元具有用于屏蔽传输线电磁场的外 导体，能够有效避免射频信号在真空腔室内放电， 因此具有较好的安全性以及较低的传输功率损 耗。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6。
3、 页 附图 2 页 1/2页 2 1.一种等离子加工装置，包括： 真空腔室； 等离子反应腔，位于所述真空腔室内，用于进行等离子加工工艺； 射频功率源，用于向所述等离子反应腔提供射频信号； 射频功率传输单元，用于将所述射频功率源提供的射频信号传输至所述真空腔室的等 离子反应腔内，其特征在于，所述射频功率传输单元包括传输所述射频信号的传输线，以及 用于屏蔽所述传输线的电磁场的外导体。 2.如权利要求1所述的等离子加工装置，其特征在于，所述外导体为导管、导电箔或者 金属外罩。 3.如权利要求2所述的等离子加工装置，其特征在于，所述真空腔室具有真空腔内壁， 所述等离子反应腔具有等离子反应腔外壁，所述外。
4、导体一端与所述真空腔内壁相连，另一 端与所述等离子反应腔外壁相连。 4.如权利要求3所述的等离子加工装置，其特征在于，所述等离子反应腔外壁与所述 真空腔内壁的材料为导电材料，所述等离子反应腔外壁、所述真空腔内壁与所述外导体构 成封闭的电磁屏蔽体。 5.如权利要求3所述的等离子加工装置，其特征在于，所述传输线为管状、柱状、金属 网状或者金属丝状。 6.如权利要求3所述的等离子加工装置，其特征在于，所述传输线为圆柱体，所述外导 体具有圆柱形的内表面。 7.如权利要求3中所述的等离子加工装置，其特征在于，所述传输线的直径大于等于 10mm。 8.如权利要求1-7的任一项所述的等离子加工装置，其特征在。
5、于，所述外导体与所述 传输线之间有间距，所述间距小于等于10mm。 9.如权利要求8所述的等离子加工装置，其特征在于，所述真空腔室内的气压为 0.03-3mbar，所述射频功率源的电压为100-500V。 10.如权利要求8所述的等离子加工装置，其特征在于，所述间距大于等于1mm。 11.如权利要求10所述的等离子加工装置，其特征在于，所述外导体内径为大于12mm 小于等于60mm。 12.如权利要求11所述的等离子加工装置，其特征在于，所述外导体材料为铜、铝、金、 银、铁、锌、铬、铅、钛中的一种、多种或包含上述材料的合金。 13.如权利要求12所述的等离子加工装置，其特征在于，所述传输线材料。
6、为铜、铝、金、 银、铁、锌、铬、铅、钛中的一种、多种或包含上述材料的合金。 14.如权利要求1所述的等离子加工装置，其特征在于，所述传输线与外导体之间填充 有绝缘介质。 15.如权利要求1所述的等离子加工装置，其特征在于，所述传输线与所述外导体形成 同轴体。 16.如权利要求1所述的等离子加工装置，其特征在于，所述真空腔室具有真空腔气压 调节单元，所述真空腔气压调节单元包括第一排气通路。 17.如权利要求16所述的等离子加工装置，其特征在于，所述等离子反应腔具有反应 权 利 要 求 书CN 102487572 A 2/2页 3 腔气压调节单元，所述反应腔气压调节单元包括第二排气通路。 18.如。
7、权利要求17所述的等离子加工装置，其特征在于，所述第一排气通路与所述第 二排气通路与同一排气泵相连。 19.如权利要求17所述的等离子加工装置，其特征在于，所述第一排气通路与所述第 二排气通路分别与不同排气泵相连。 20.如权利要求1所述的等离子加工装置，其特征在于，所述等离子反应腔具有射频电 极以及与所述射频电极连接的第一进气通路。 21.如权利要求20所述的等离子加工装置，其特征在于，所述传输线一端与所述射频 功率源相连，另一端与所述射频电极相连。 22.如权利要求21所述的等离子加工装置，其特征在于，所述射频功率源设置于所述 真空腔室之外。 23.如权利要求21所述的等离子加工装置，其特。
8、征在于，所述射频功率源包括：射频产 生单元，以及连接所述射频产生单元的匹配器，所述匹配器用于调节所述射频信号的耦合 功率。 权 利 要 求 书CN 102487572 A 1/6页 4 等离子加工装置 技术领域 0001 本发明涉及太阳能电池制造设备领域，特别涉及一种用于制造薄膜太阳能电池的 等离子加工装置。 背景技术 0002 近年来，大面积等离子加工装置已经广泛应用于薄膜沉积、刻蚀等半导体领域，例 如平面基板、薄膜太阳能电池的制造等。随着加工尺寸的日益增大，进行等离子加工时所需 的射频功率以及频率也越来越高。 0003 在现有的大面积等离子加工装置中，腔体嵌套(Box in Box)技术被。
9、广泛应用，具 体包括将等离子反应腔设置于真空的外腔室内。所述外腔室能够保护较为脆弱的等离子反 应腔，但由于射频功率源独立设置于真空腔室外，需要使用射频功率传输线将射频信号传 输至等离子反应腔内的射频电极上，上述射频功率传输线在经过真空腔室时，由于真空腔 室内并非完全真空，而存在氮气、氩气、硅烷以及氢气等气体，当大功率射频信号流经射频 功率传输线时，便容易形成放电条件。 0004 在真空腔室中产生放电会造成如下问题： 0005 射频信号存在功率损耗，无法有效的传输给等离子反应腔，影响等离子加工工艺； 大功率放电容易烧毁传输线、射频功率源以及设备中的其他电子线路，甚至引起安全事故。 综上，如何安全。
10、、有效地传输射频信号，成为等离子加工设备亟待解决的问题。理论上提高 真空腔室的真空度，可以降低放电的可能性。但绝对的真空环境难以实现，且提高真空度也 相应提高了设备的使用成本。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种等离子加工装置，能够避免射频信号传输时在真空腔室 内的放电问题。 0007 本发明所述的等离子加工装置，包括：真空腔室；等离子反应腔，位于所述真空腔 室内，用于进行等离子加工工艺；射频功率源，用于向所述等离子反应腔提供射频信号；射 频功率传输单元，用于将所述射频功率源提供的射频信号传输至所述真空腔室的等离子反 应腔内，所述射频功率传输单元包括传输所述射频信号的传输线，以及用于屏。
11、蔽所述传输 线的电磁场的外导体。 0008 可选的，所述外导体为导管、导电箔或者金属外罩。所述真空腔室具有真空腔内 壁。所述等离子反应腔具有等离子反应腔外壁。所述外导体一端与所述真空腔内壁相连， 另一端与所述等离子反应腔外壁相连。所述等离子反应腔外壁与所述真空腔内壁的材料为 导电材料。所述等离子反应腔外壁、所述真空腔内壁与所述外导体构成封闭的电磁屏蔽体。 0009 可选的，所述传输线为管状、柱状、金属网状或者金属丝状。所述传输线为圆柱体， 所述外导体具有圆柱形的内表面。所述传输线的直径大于等于10mm。所述外导体与所述传 输线之间有间距，所述间距小于等于10mm。可选的，所述真空腔室内的气压为。
12、0.03-3mbar， 说 明 书CN 102487572 A 2/6页 5 所述射频功率源的电压为100-500V。所述间距大于等于1mm。所述外导体内径为大于12mm 小于等于60mm。 0010 可选的，所述外导体材料为铜、铝、金、银、铁、锌、铬、铅、钛中的一种、多种或包含 上述材料的合金。所述传输线材料为铜、铝、金、银、铁、锌、铬、铅、钛中的一种、多种或包含 上述材料的合金。 0011 可选的，所述传输线与外导体之间填充有绝缘介质。所述传输线与所述外导体形 成同轴体。 0012 所述真空腔室具有真空腔气压调节单元，所述真空腔气压调节单元包括第一排气 通路。所述等离子反应腔具有反应腔气压。
13、调节单元，所述反应腔气压调节单元包括第二排 气通路。 0013 可选的，所述第一排气通路与所述第二排气通路与同一排气泵相连。或者，所述第 一排气通路与所述第二排气通路分别与不同排气泵相连。 0014 所述等离子反应腔还具有射频电极以及与所述射频电极连接的第一进气通路。所 述传输线一端与所述射频功率源相连，另一端与所述射频电极相连。所述射频功率源设置 于所述真空腔室之外。所述射频功率源包括：射频产生单元，以及连接所述射频产生单元的 匹配器，所述匹配器用于调节所述射频信号的耦合功率。 0015 与现有技术相比，本发明装置具有以下优点： 0016 所述射频功率传输单元具有屏蔽传输线电磁场的外导体，能。
14、够有效避免射频信号 在真空腔室内放电； 0017 且所述外导体与等离子反应腔的外壁、真空腔室的内壁构成封闭的电磁屏蔽体， 进一步增强了对传输线电磁场的屏蔽效果； 0018 所述传输线为圆柱体，外导体具有圆柱形的内表面，两者形成同轴体，使得传输线 与外导体的间距保持一致。 0019 其中，传输线的直径大于等于10mm，而所述间距小于等于10mm，一方面能够保证 传输线的低阻抗以及射频功率传输单元的低等效电感，有助于减少射频功率传输单元上的 功率损耗以及降低等离子加工装置的起辉功率；另一方面提高了射频信号在传输线与外导 体之间间隙内的最小放电电压，以避免放电现象的产生。进一步的，所述外导体与传输线。
15、的 间距大于1mm以保证有效绝缘。 附图说明 0020 图1是本发明所述射频功率传输单元的示意图； 0021 图2是图1中沿A-A线的截面示意图； 0022 图3是本发明所述等离子加工装置的示意图； 0023 图4是本发明所述等离子加工装置中射频信号的传输电路示意图； 0024 图5是射频放电原理的帕邢曲线示意图。 具体实施方式 0025 现有的等离子加工装置中，位于真空腔室内的射频功率传输线，流经大功率射频 信号时，即使真空腔室中的气体非常稀薄，也容易发生放电现象。仅提高真空腔室内的真空 说 明 书CN 102487572 A 3/6页 6 度，并非解决放电问题的有效方法。本发明的射频传输单。
16、元则具有用于屏蔽传输线电磁场 的外导体，能够有效避免射频信号在真空腔室内放电。 0026 图1是本发明所述射频功率传输单元的示意图，图2是图1中沿A-A线的截面示 意图。结合图1以及图2所示，本发明所述的射频功率传输单元包括：用于传输射频信号的 传输线101，以及用于屏蔽所述传输线101的电磁场的外导体102。 0027 将上述射频功率传输单元应用于等离子加工装置时，由于传输线101位于外导体 102内，传输线101的电磁场被外导体102所屏蔽，因此能够有效避免传输线101上流经的 射频信号在真空腔室内放电。作为较佳实施例，外导体102的两端可以分别与等离子反应 腔的外壁以及真空腔室的内壁相连。
17、，且所述等离子反应腔外壁与所述真空腔内壁的材料为 导电材料，所述等离子反应腔外壁、所述真空腔内壁与所述外导体构成封闭的电磁屏蔽体。 所述封闭的电磁屏蔽体将进一步增强对传输线101电磁场的屏蔽效果。 0028 可选的，所述传输线101可以为管状、柱状、金属网状或者金属丝状，其材料可以 为铜、铝、金、银、铁、锌、铬、铅、钛中的一种、多种或包含上述材料的合金；所述外导体102 可以为导管、导电箔或者金属外罩，其材料也可以为铜、铝、金、银、铁、锌、铬、铅、钛中的一 种、多种或包含上述材料的合金。 0029 在本发明的某些实施例中，所述传输线101为圆柱体，所述外导体102具有圆柱形 的内表面。所述传输。
18、线与所述外导体均为铝材质，两者之间有间隙。在所述间隙内可以填 充有绝缘介质，但在本发明的最佳实施方式中，所述间隙内为真空，以避免阻抗较大带来的 负面影响。所述传输线101与外导体102还可以制作成同轴体结构，使得两者之间间距保 持一致。当然，在本发明的其他实施例中，所述传输线101与外导体102也可以不同轴。 0030 利用上述射频功率传输单元，即能够解决等离子加工装置中，真空腔室内的放电 问题。 0031 如图3所示，本发明所述的等离子加工装置包括：真空腔室30；等离子反应腔20， 设置于所述真空腔室30内，用于进行等离子加工工艺；射频功率源40，用于向所述等离子 反应腔提供射频信号；如前所。
19、述的射频功率传输单元10，用于将射频功率源40提供的射频 信号传输至等离子反应腔20中；其中射频功率传输单元10的传输线101一端连接所述射 频功率源40，另一端与所述等离子反应腔20连接。 0032 所述真空腔室30具有真空腔气压调节单元，所述真空腔气压调节单元包括与真 空腔室30连接的第一排气通路501。所述真空腔气压调节单元通过第一真空管501对真 空腔室30抽气，调节真空腔室30内的气压。所述等离子反应腔20具有反应腔气压调节单 元，所述反应腔气压调节单元包括第二排气通路502，所述第二排气通路502用于对等离子 反应腔20抽气，调节等离子反应腔20内的气压。进一步的，可以在等离子反应。
20、腔20的两 相对端分别设置所述第二排气通路502。所述第一排气通路501与所述第二排气通路502 可以分别与不同的排气泵相连，以增加排气速率，提高生产效率。当然，在本发明的其他实 施例中，所述第一排气通路501与所述第二排气通路502也可以与同一排气泵相连以简化 设备降低成本。 0033 所述等离子反应腔20包括设置于腔体底部的加工基座201以及位于腔体顶部的 射频电极202，还包括与所述射频电极202连接的第一进气通路503。其中，所述基座用于 放置待加工件203；所述射频电极202可以为铜、铝等导电材质的金属线圈或金属板，且与 说 明 书CN 102487572 A 4/6页 7 射频功率。
21、传输单元10的传输线构成电连接，作为射频功率传输单元10的负载；所述第一进 气通路503用于向等离子反应腔20内通入反应气体或气压调节气体，可选地，上述气体通 过射频电极202均匀分配。 0034 当射频信号加载至射频电极202后，能够在等离子反应腔20内放电，在所述射频 电极202与加工基座201之间形成等离子体。所述等离子体包括被离子化后的由第一进气 通路503所通入的反应气体，从而对设置于加工基座201上的待加工件203进行等离子加 工工艺。例如，对玻璃基板进行薄膜沉积工艺。 0035 所述射频功率源40包括射频产生单元401以及连接所述射频产生单元401的匹 配器402。所述射频产生单。
22、元401可以采用频率合成或振荡器等方式，产生所需频率的射频 信号。所述匹配器402对上述射频信号进行阻抗匹配，调节其耦合功率。 0036 所述射频功率传输单元10的传输线的一端连接匹配器402的输出，另一端连接射 频电极202，从而将功率调整后的射频信号由匹配器402传输至射频电极202上。 0037 图4是上述射频信号的传输电路示意图，结合图3以及图4所示： 0038 射频产生单元401可以等效为所述传输电路的电源电路401a，所述电源电路401a 包括电压源V 0 以及与所述电压源V 0 串联的内阻R 0 。匹配器402可以等效为功率调控电路 402a，所述功率调控电路402a包括与电源电。
23、路401a的输出端串联的等效电容C M2 以及等效 电感L M ，还包括其与地之间的寄生电容C M1 。射频功率传输单元10可以等效为射频传输电路 10a，所述射频传输电路10a包括与功率调控电路402a的输出端串联的传输线内阻R t 以及 等效电感L t ，还包括其与地之间的寄生电容C t 。射频电极202则可以等效为电路负载202a， 所述负载202a包括与射频传输电路10a的输出端连接的等效电感L r 以及放电电容C r 。 0039 当射频信号流经传输线101时，即使不发生放电，由于传输线101本身的内阻以及 等效电感的存在，也总是存在功率损耗。为了降低等离子加工装置的起辉功率，必须减。
24、小传 输线101上的功率损耗，所述起辉功率是指能够使射频电极202放电所需的最小功率。根 据分压的原理，在图4所示电路中，如果射频传输电路10a的传输线内阻R t 或等效电感L t 越小，则加载至负载202a中放电电容C r 电极板两侧的电压，也即加载至射频电极202与加 工基座201之间的电压越大。因此降低传输线内阻R t 以及等效电感L t 均有助于降低所述 等离子加工装置的起辉功率。 0040 再参照图1，为简化说明，在本发明所述的射频功率传输单元10中，假设传输线 101与外导体102为同轴体结构，且传输线101的截面为圆形，外导体的内表面的截面也为 圆形，则所述等效电感L t 与传输。
25、线101的半径r以及外导体102的内半径R存在如下关系 式。 0041 0042 其中l为传输线101的长度，其取决于传输线101在真空腔室30内的走线，而 为常数。因此如果需要降低等效电感L t ，只有减小的值，也即尽可能使得传输线101的 半径r以及外导体102的内半径R相趋近。而如果需要降低传输线内阻R t ，则可以增大传 输线101的直径。 0043 需要指出的是，当传输线101与外导体102之间存在间隙时，所述间隙中也可能存 说 明 书CN 102487572 A 5/6页 8 在气体，而具备放电条件。当传输线101在上述间隙内放电时，依然会产生设备的安全问题 以及传输功率的损耗。 。
26、0044 根据帕邢定律可知，在固定成分的气体环境下，两导电物体之间的最小放电电压 与两者之间空间内的气体压强以及两导电物体的距离有关。具体如图5所示，图5为射频 放电的帕邢曲线，体现了上述最小放电电压与气体压强以及距离的关系。在图5所示的坐 标系中，横坐标为所述气体压强P与所述距离d的乘积P*d，纵坐标为相应的所述最小放电 电压V。上述帕邢曲线呈“L”字型，最小放电电压V在P*d值两端值区间内呈现出不同趋 势。这是因为： 0045 当放电机制位于帕邢曲线的右半侧时，环境气压较大，相邻导体之间的气体分子 过多。电子在相邻导体之间运动，与气体分子发生弹性碰撞次数较多，能量损失大，不利于 产生碰撞电。
27、离。随着P*d值的增大，放电所需的最小放电电压将增大。 0046 当放电机制位于帕邢曲线的左半侧时，环境气压较小，近似于真空，相邻导体之间 的气体分子极少。电子在相邻导体之间运动，发生碰撞次数太少，同样不利于产生碰撞电 离。随着P*d值的减小，放电所需的最小放电电压也将增大。 0047 再结合图2所示，根据上述原理，在近似于真空环境的等离子加工装置中，射频功 率传输单元10的传输线101以及外导体102之间的放电机制应当位于帕邢曲线的左半侧。 因此，为了降低射频信号在传输线101与外导体102之间间隙内放电的可能性，除了提高两 者间隙空间的真空度、减小气压值P外，还需要降低相应的间距d，也即R。
28、-r的值。且在传输 线101直径固定的前提下，降低所述间隙d的值，也能使得传输线101与外导体102的半径 相趋近，起到降低射频功率传输单元10的等效电感Lt的作用。此外，为了保证传输线101 与外导体102之间的绝缘可靠性，所述间距d不宜过小。 0048 综上考量，本发明实施例的等离子加工装置中，所述射频功率传输单元10内，传 输线101的直径大于等于10mm，而传输线101与外导体102的间距d小于等于10mm。一方 面能够保证传输线的低阻抗以及射频功率传输单元的低等效电感，有助于减少射频功率传 输单元上的功率损耗以及降低等离子加工装置的起辉功率；另一方面提高了射频信号在传 输线与外导体之。
29、间间隙内的最小放电电压，以避免放电现象的产生。 0049 所述真空腔室30内的气压可以为0.03-3mbar，射频功率源40的电压为 100-500V，所述传输线101与外导体102的间距d大于1mm以保证有效绝缘。所述外导管 102的内径大于12mm小于等于60mm。 0050 作为一个具体的实施例，所述真空腔室30内的气压为0.03mbar，所述射频功率的 电压为100V，所述传输线101采用直径为10mm的铜棒，外导体102采用内径30mm，壁厚为 2mm的铝管，两者形成间距为10mm的同轴体。 0051 作为一个具体的实施例，所述真空腔室30内的气压为0.1mbar，所述射频功率源 4。
30、0的电压为300V，所述传输线101采用直径为34mm的铜棒，外导体102采用内径40mm，壁 厚为2mm的铝管，两者形成间距为3mm的同轴体。 0052 作为一个具体的实施例，所述真空腔室30内的气压为3mbar，所述射频功率的电 压为500V，所述传输线101采用直径为10mm的铜棒，外导体102采用内径12mm，壁厚为1mm 的铝管，两者形成间距为1mm的同轴体。 0053 以下以薄膜太阳能电池的薄膜沉积工艺为例，对本发明所述的等离子加工装置的 说 明 书CN 102487572 A 6/6页 9 使用方法，做进一步说明。 0054 首先，将待加工的大面积玻璃基板放置于等离子反应腔20的。
31、加工基座201上，然 后封闭等离子反应腔20以及真空腔室30。 0055 使用真空腔气压调节单元，通过第一排气通路501对真空腔室30抽气，调整至所 需气压，在真空腔室30内形成近似于真空的环境。 0056 通过第一进气通路503向等离子反应腔20内通入反应气体或气压调节气体。然 后使用反应腔气压调节单元，通过第二排气通路502对等离子反应腔20排气，调节等离子 反应腔20内的气压大小，以满足薄膜沉积工艺所需工艺条件。 0057 最后，开启射频功率源40产生所需功率的射频信号，所述射频信号经由射频功率 传输单元10，传输至等离子反应腔20的射频电极202上。 0058 此时射频电极202与加工。
32、基座201之间形成较大的电压差。当所述电压差超过等 离子反应腔20的最小放电电压时，也即射频信号的功率大于起辉功率时。射频电极202在 等离子反应腔20内放电，将等离子反应腔20内的反应气体离子化。所述离子化的反应气 体将与玻璃基板表面产生反应，形成所需的薄膜。 0059 在上述等离子加工工艺中，由于射频功率传输单元能够避免传输线在真空腔室内 放电，且具有较低的阻抗以及等效电感，因此适于传输大功率射频信号。所述射频信号能够 在较低功率损耗下更为有效地传输至等离子反应腔的射频电极上，有助于进行大面积的等 离子加工工艺。 0060 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应 当以权利要求所限定的范围为准。 说 明 书CN 102487572 A 1/2页 10 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102487572 A 10 2/2页 11 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102487572 A 11 。