以大面積噴淋式平板電極甚高頻等離子體增強化學氣相沉積(VHF- PECVD)反應室為研究對象,利用FlexPDE 和CFD- ACE+ 商業軟件,對反應室電極間的電場和流場分布進行了數值模擬。根據數值模擬結果可知：對于大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室，電極間氣體流速分布呈現管流特征，而氣壓分布和電場分布具有類似的分布規律，即在大面積電極中央區域電場較強氣壓較高，而電極邊緣區域電場較弱氣壓較低；另外，反應室采用噴淋式平板電極進行反應氣體饋入,氣體總流量、工作氣壓和電極間距是調節電極間氣壓分布均勻性的重要參量，采用大電極間距、高工作氣壓，以及小的氣體總流量有助于獲得均勻的氣壓分布。

　　等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）是目前硅基薄膜太陽電池工業化生產的主要制備技術。當前，大面積非晶硅（a- Si:H）薄膜太陽電池的制備主要采用標準13.56 MHz 射頻激發的電容耦合平行板電極PECVD 反應室。然而，對于新一代高效率非晶硅/微晶硅疊層太陽電池的氫化微晶硅(μc- Si:H) 底電池制備， 采用甚高頻（30~300 MHz） 等離子體增強化學氣相沉積（VHF- PECVD） 被認為是一種很好的選擇，其主要原因在于VHF- PECVD 技術可以在高沉積速率下獲得高質量的薄膜材料，大幅度降低氫化微晶硅底電池的制備時間。然而， 目前采用VHF- PECVD 技術制備非晶/微晶硅疊層電池，國內外大部分公司還正在研發間段，還不能大規模生產，其主要原因在于沒有適合微晶硅薄膜生長的大面積高產能PECVD 設備。因此，研發高產能VHF- PECVD 設備將推動國內乃至國際太陽能產業的發展。

　　硅基薄膜太陽電池的制備一般要求薄膜厚度非均勻性在±10％之內，因而VHF－PECVD技術產業化應用所面臨的首要問題在于如何實現大面積薄膜的均勻沉積。VHF- PECVD 技術沉積薄膜的過程是一個非常復雜的物理化學過程，其反應室內部電極間電場、流體場、溫度場的分布均勻性將直接影響到薄膜沉積的均勻性，但這些物理場空間分布均勻性，如果通過實驗研究不僅費錢費時，同時也存在很多技術問題，這給VHF－PECVD 反應室電極結構設計和工藝條件優化造成很大的障礙。然而，計算機數值模擬以其經濟、高效的特點為大面積VHF- PECVD 薄膜沉積均勻性研究提供了一種有效手段，可以通過對大面積VHF- PECVD 反應室內部物理場的數值分析，為大面積VHF- PECVD 反應室電極設計和工藝條件優化提供重要的理論指導。

　　本文以面積尺度為120 cm×80 cm 的噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室為研究對象，應用計算流體力學軟件CFD－ACE+ 和二維準平面電路模型，對反應室內部電極間電場和流場的空間分布進行數值模擬研究。

1、模型與方法

　　本文所討論的大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室簡化結構示意圖，如圖1（a）所示。VHF-PECVD 反應室內部主要由噴淋式平板電極和接地電極構成，噴淋式平板電極作為功率電極被放置在接地真空反應室中，與接地電極構成電極結構對稱的理想反應室。反應室采用VHF 功率源激發等離子體產生，功率饋入點分布于噴淋式平板電極背面。

　　對于上述結構的大面積反應室電極間電場分布的模擬，本文主要考慮電極間電勢駐波效應對大面積VHF- PECVD 反應室電極間電場分布的影響，忽略電極邊緣效應、衰勢波效應等因素對電極間電場分布均勻性的影響。因此，本文采用了二維準平面電路方法和FlexPDE 軟件對反應室電極間的電場分布進行計算。本文這里不對二維準平面電路方法做詳細的敘述，具體推導可參考文獻。

　　另外，對于反應室內部流場的模擬，本文假設反應室為等溫反應室, 忽略了反應室內部溫度場的分布問題；同時也假設參與反應的氣體通過噴淋式平板電極均勻進入到反應室等離子體區，并從電極四周邊緣排出等離子體區。本文僅簡單考慮氣體在反應室電極間流動所形成的流場分布，排除了噴淋式平板電極內部流場分布對反應室電極間流場分布的影響。

圖1 (a)大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室示意　圖(b)反應室二維模型

　　根據上述反應室結構及其假設，本文利用計算流體力學軟件CFD- ACE+ 建立了用于反應室電極間流場分析的簡化二維模型，模型流場計算區域如圖1（b）所示。模型將反應室內的反應氣體考慮為可壓縮理想氣體，并采用速度進口邊界條件和氣壓出口邊界條件，在穩態條件下求解N- S方程。噴淋式電極氣體進口處的法向氣體流速定義為v，流速v 與氣體總流量Q 存在Q=v×S×P 的換算關系，S 為噴淋式平板電極面積，P 被定義為反應室工作氣壓。另外，氣體出口邊界氣壓設為P。考慮到反應室模型結構的對稱性，本文選擇兩電極間的中間位置處作為流場分布的討論區。

3、結論

　　本文主要針對大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室，采用數值方法研究了反應室電極間電場和流場的空間分布均勻性問題。通過對電極間流場和電場的模擬可知，電極間氣壓分布與電場分布具有相似的趨勢，即在電極中央區域電場強氣壓高而在邊緣區域電場弱氣壓低。這種電極間電場和氣壓分布規律會導致電極間等離子體的非均勻分布，從而影響到薄膜的均勻生長。另外，對電極間氣壓分布的進一步研究表明，采用大電極間距、高工作氣壓，以及小的氣體總流量有助于獲得均勻的氣壓分布。