大面积VHF-PECVD反应室喷淋式平板电极间电场和流场数值模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南开大学光电子薄膜器件与技术研究所 作者:葛洪

  以大面积喷淋式平板电极甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF- PECVD)反应室为研究对象,利用FlexPDE 和CFD- ACE+ 商业软件,对反应室电极间的电场和流场分布进行了数值模拟。根据数值模拟结果可知:对于大面积喷淋式平板电极VHF- PECVD 反应室,电极间气体流速分布呈现管流特征,而气压分布和电场分布具有类似的分布规律,即在大面积电极中央区域电场较强气压较高,而电极边缘区域电场较弱气压较低;另外,反应室采用喷淋式平板电极进行反应气体馈入,气体总流量、工作气压和电极间距是调节电极间气压分布均匀性的重要参量,采用大电极间距、高工作气压,以及小的气体总流量有助于获得均匀的气压分布。

  等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是目前硅基薄膜太阳电池工业化生产的主要制备技术。当前,大面积非晶硅(a- Si:H)薄膜太阳电池的制备主要采用标准13.56 MHz 射频激发的电容耦合平行板电极PECVD 反应室。然而,对于新一代高效率非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的氢化微晶硅(μc- Si:H) 底电池制备, 采用甚高频(30~300 MHz) 等离子体增强化学气相沉积(VHF- PECVD) 被认为是一种很好的选择,其主要原因在于VHF- PECVD 技术可以在高沉积速率下获得高质量的薄膜材料,大幅度降低氢化微晶硅底电池的制备时间。然而, 目前采用VHF- PECVD 技术制备非晶/微晶硅叠层电池,国内外大部分公司还正在研发间段,还不能大规模生产,其主要原因在于没有适合微晶硅薄膜生长的大面积高产能PECVD 设备。因此,研发高产能VHF- PECVD 设备将推动国内乃至国际太阳能产业的发展。

  硅基薄膜太阳电池的制备一般要求薄膜厚度非均匀性在±10%之内,因而VHF-PECVD技术产业化应用所面临的首要问题在于如何实现大面积薄膜的均匀沉积。VHF- PECVD 技术沉积薄膜的过程是一个非常复杂的物理化学过程,其反应室内部电极间电场、流体场、温度场的分布均匀性将直接影响到薄膜沉积的均匀性,但这些物理场空间分布均匀性,如果通过实验研究不仅费钱费时,同时也存在很多技术问题,这给VHF-PECVD 反应室电极结构设计和工艺条件优化造成很大的障碍。然而,计算机数值模拟以其经济、高效的特点为大面积VHF- PECVD 薄膜沉积均匀性研究提供了一种有效手段,可以通过对大面积VHF- PECVD 反应室内部物理场的数值分析,为大面积VHF- PECVD 反应室电极设计和工艺条件优化提供重要的理论指导。

  本文以面积尺度为120 cm×80 cm 的喷淋式平板电极VHF- PECVD 反应室为研究对象,应用计算流体力学软件CFD-ACE+ 和二维准平面电路模型,对反应室内部电极间电场和流场的空间分布进行数值模拟研究。

1、模型与方法

  本文所讨论的大面积喷淋式平板电极VHF- PECVD 反应室简化结构示意图,如图1(a)所示。VHF-PECVD 反应室内部主要由喷淋式平板电极和接地电极构成,喷淋式平板电极作为功率电极被放置在接地真空反应室中,与接地电极构成电极结构对称的理想反应室。反应室采用VHF 功率源激发等离子体产生,功率馈入点分布于喷淋式平板电极背面。

  对于上述结构的大面积反应室电极间电场分布的模拟,本文主要考虑电极间电势驻波效应对大面积VHF- PECVD 反应室电极间电场分布的影响,忽略电极边缘效应、衰势波效应等因素对电极间电场分布均匀性的影响。因此,本文采用了二维准平面电路方法和FlexPDE 软件对反应室电极间的电场分布进行计算。本文这里不对二维准平面电路方法做详细的叙述,具体推导可参考文献。

  另外,对于反应室内部流场的模拟,本文假设反应室为等温反应室, 忽略了反应室内部温度场的分布问题;同时也假设参与反应的气体通过喷淋式平板电极均匀进入到反应室等离子体区,并从电极四周边缘排出等离子体区。本文仅简单考虑气体在反应室电极间流动所形成的流场分布,排除了喷淋式平板电极内部流场分布对反应室电极间流场分布的影响。

大面积喷淋式平板电极VHF- PECVD 反应室示意图

图1 (a)大面积喷淋式平板电极VHF- PECVD 反应室示意 图(b)反应室二维模型

  根据上述反应室结构及其假设,本文利用计算流体力学软件CFD- ACE+ 建立了用于反应室电极间流场分析的简化二维模型,模型流场计算区域如图1(b)所示。模型将反应室内的反应气体考虑为可压缩理想气体,并采用速度进口边界条件和气压出口边界条件,在稳态条件下求解N- S方程。喷淋式电极气体进口处的法向气体流速定义为v,流速v 与气体总流量Q 存在Q=v×S×P 的换算关系,S 为喷淋式平板电极面积,P 被定义为反应室工作气压。另外,气体出口边界气压设为P。考虑到反应室模型结构的对称性,本文选择两电极间的中间位置处作为流场分布的讨论区。

3、结论

  本文主要针对大面积喷淋式平板电极VHF- PECVD 反应室,采用数值方法研究了反应室电极间电场和流场的空间分布均匀性问题。通过对电极间流场和电场的模拟可知,电极间气压分布与电场分布具有相似的趋势,即在电极中央区域电场强气压高而在边缘区域电场弱气压低。这种电极间电场和气压分布规律会导致电极间等离子体的非均匀分布,从而影响到薄膜的均匀生长。另外,对电极间气压分布的进一步研究表明,采用大电极间距、高工作气压,以及小的气体总流量有助于获得均匀的气压分布。

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