PECVD反應(yīng)腔內(nèi)置輔助加熱對氮化硅膜沉積的影響

李曄純 張彌濤 李明 郭艷

【摘? 要】典型加熱方式的反應(yīng)腔已逐漸難以滿足硅片尺寸增大、裝片量要求增多情況下的生產(chǎn)需要，論文提出在反應(yīng)腔中內(nèi)置輔助加熱裝置，并進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)分析其對工藝的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輔助加熱裝置在縮短升溫時(shí)間、提升設(shè)備產(chǎn)能的情況下，得到更優(yōu)氮化硅成膜均勻性指標(biāo)，特別是對片間均勻性有較為明顯的提升作用。

【Abstract】The reaction chamber with typical heating mode has gradually been difficult to meet the production needs with the increase of silicon wafer size and loading requirements. This paper proposes to build an auxiliary heating device in the reaction chamber， and conduct comparative experiments to analyze its influence on the process. The experimental results show that the auxiliary heating device can obtain better silicon nitride film-forming uniformity index under the conditions of shortening the heating time and improving the equipment capacity， especially having a more obvious improvement effect on the uniformity between the wafers.

【關(guān)鍵詞】PECVD;輔助加熱;工藝時(shí)間;均勻性

【Keywords】PECVD; auxiliary heating; process time; uniformity

【中圖分類號】TK513.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）10-0182-03

1 引言

在“雙碳”目標(biāo)下，太陽能將成為清潔能源重要的組成部分，晶體硅光伏電池是獲取太陽能的主要載體，近年來，晶體硅光伏電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，市場需求旺盛，未來也將保持良好的發(fā)展態(tài)勢。管式PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）是晶體硅光伏電池制備的主要設(shè)備之一，廣泛用于晶硅光伏電池的表面鍍膜工藝。

目前，應(yīng)用大尺寸硅片已成為光伏電池行業(yè)降本增效的重要手段。硅片尺寸增大，PECVD反應(yīng)腔的內(nèi)徑和長度也會相應(yīng)增大，石墨舟（硅片載具）的質(zhì)量也會隨之增大，這些技術(shù)參數(shù)的變化會使石墨舟達(dá)到工藝溫度的時(shí)間延長、溫場均勻性變差，從而影響產(chǎn)能和成膜質(zhì)量。

本文提出一種新型的加熱方式，即在PECVD反應(yīng)腔內(nèi)放置輔助加熱裝置，再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究其對產(chǎn)能和成膜質(zhì)量的影響，對PECVD設(shè)備的研制具有一定的參考作用。

2 反應(yīng)腔的加熱方式

2.1 典型加熱方式的反應(yīng)腔

典型加熱方式的反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)如圖1所示，由密封和水冷法蘭、內(nèi)熱偶、支撐部件，石墨舟、外熱偶、石英管、電阻加熱絲、保溫層、支撐法蘭、進(jìn)氣法蘭等部分組成。密封和水冷法蘭用于腔體密封，并通過水冷的方式對密封件進(jìn)行保護(hù);內(nèi)熱偶用于石英管內(nèi)部溫度檢測，放置于石英管底部（6點(diǎn)鐘方向）;支撐部件固定在密封和水冷法蘭上，用于石墨舟在石英管內(nèi)的放置支撐;石英管是工藝反應(yīng)的腔室;電阻加熱絲為反應(yīng)提供熱能;保溫層用于防止反應(yīng)腔內(nèi)的熱量散失，并使腔體外部的元器件免受高溫?fù)p傷;支撐法蘭為整個(gè)反應(yīng)室的支撐部件;進(jìn)氣法蘭是工藝氣體進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)的通道。

石墨舟在進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行SiNx薄膜沉積之前，需要在低壓狀態(tài)下進(jìn)行升溫，該步驟占總工藝時(shí)長的比重大，縮短石墨舟升溫時(shí)間，對降低單次工藝時(shí)間、提升設(shè)備產(chǎn)能具有積極意義。在低壓狀態(tài)下對石墨舟進(jìn)行升溫，實(shí)質(zhì)上是通過加熱絲的熱輻射作用對石墨舟進(jìn)行加熱。隨著硅片尺寸增大，光伏電池廠商對石墨舟裝片數(shù)量要求的增高，石英管內(nèi)徑和石墨舟質(zhì)量越來越大，導(dǎo)致熱輻射的升溫效果變差，升溫時(shí)間加長，且石墨舟的溫度均勻性不佳，造成產(chǎn)能和成膜質(zhì)量降低。

2.2 內(nèi)置輔助加熱的反應(yīng)腔

為此，本文提出一種在PECVD反應(yīng)腔內(nèi)增加輔助加熱裝置的方法，以期提高升溫效果，改善石墨舟溫度均勻性，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

內(nèi)置輔助加熱的反應(yīng)腔相較典型加熱方式反應(yīng)腔，增加了上下兩組輔助加熱棒，該加熱棒采用紅外線輻射加熱的方式，在低壓環(huán)境中該加熱方式的效率高，且質(zhì)量小、熱容量低，關(guān)閉輔助加熱后對爐內(nèi)溫度的影響較小。同時(shí)，其還將內(nèi)熱偶移至石英管的側(cè)壁處（9點(diǎn)鐘方向）距離石墨舟更近，檢測到的溫度更接近石墨舟。

從圖3可知，橫截面約為長方形的石墨舟放置在截面為原型的石英管之內(nèi)時(shí)，上下側(cè)距離加熱絲的距離遠(yuǎn)大于左右兩側(cè)，這會使石墨舟上下側(cè)和左右側(cè)存在較大溫差，不利于對片間均勻性的控制。在石墨舟的上下方各增加一組輔助加熱棒，縮短石墨舟上下側(cè)和熱源的距離，促進(jìn)溫度的均勻分布。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)采用湖南紅太陽光電科技有限公司制造研制的管式PECVD設(shè)備，載具為載片量為504片的石墨舟。采用GM1150A紅外測溫儀檢測石墨舟初始溫度，EV-400橢偏儀檢測氮化硅成膜質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)片為市售P型單晶硅片，尺寸166.75mm×166.75mm，厚度180±30μm，電阻率1～3Ω·cm。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

在管式PECVD設(shè)備中選取第一管A和第二管B，管A為實(shí)驗(yàn)管，內(nèi)置輔助加熱，管B為對比管，采用典型的加熱方式。在實(shí)驗(yàn)中，管A和管B的密封和水冷法蘭、內(nèi)熱偶、支撐部件、石墨舟、外熱偶、石英管、電阻加熱絲、保溫層、支撐法蘭、進(jìn)氣法蘭等部件全部相同。本實(shí)驗(yàn)在同等條件下，對管A和管B升溫工藝時(shí)間和成膜效果進(jìn)行對比。

實(shí)驗(yàn)中，管B采用現(xiàn)有成熟的正面氮化硅減反射膜的工藝配方進(jìn)行1次工藝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)編號為B;管A在該工藝配方的基礎(chǔ)上，分別縮短升溫時(shí)間1min、2min、3min、4min、5min，各進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，并在升溫結(jié)束后關(guān)閉輔助加熱裝置，實(shí)驗(yàn)編號分別計(jì)為A1至A5。

實(shí)驗(yàn)所用載片量504片的石墨舟，每次實(shí)驗(yàn)所插放6片實(shí)驗(yàn)硅片，其余位置放滿陪片，確保石墨舟滿載。實(shí)驗(yàn)硅片在石墨舟的位置如圖4所示，L1、L13分別為石墨舟邊列和中間列，C1、C5、C9分別為爐口、爐中、爐尾位置。

3.3 數(shù)據(jù)測試和記錄

①石墨舟溫度：在實(shí)驗(yàn)前，通過紅外測溫儀對石墨舟的中心舟葉進(jìn)行溫度檢測，保證石墨舟的初始溫度均為室溫25±0.5℃，去除石墨舟溫度差對實(shí)驗(yàn)效果的影響。②反應(yīng)溫度：本次實(shí)驗(yàn)采用的PECVD為5段控溫，在爐體的長度方向分為5個(gè)溫區(qū)，溫區(qū)1和溫區(qū)5為輔助溫區(qū)，位于爐口和爐尾，溫區(qū)2至溫區(qū)4為恒溫區(qū)，是石墨舟所處的區(qū)域。在每次實(shí)驗(yàn)前，確保溫區(qū)1至溫區(qū)5的溫度分別為固定的設(shè)定溫度，在每次實(shí)驗(yàn)的升溫結(jié)束后，通過PECVD設(shè)備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)，讀取并記錄每個(gè)溫區(qū)的內(nèi)熱偶的溫度值，對比管A和管B的升溫效果。③氮化硅膜厚：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用橢偏儀對6片實(shí)驗(yàn)硅片按照五點(diǎn)法進(jìn)行膜厚數(shù)據(jù)測試，測量位置如圖5所示。④膜厚均勻性計(jì)算：測量記錄膜厚數(shù)據(jù)后，通過式（1）和式（2）分別計(jì)算片內(nèi)均勻性S1和片間均勻性S2。

S1=×100%? ? （1）

S2=×100%? （2）

公式中，Nmax為單片5點(diǎn)膜厚中最大的數(shù)據(jù)，Nmin為最小的數(shù)據(jù);max為每次實(shí)驗(yàn)6片硅片中平均膜厚最大硅片的數(shù)據(jù)，min為最小的平均數(shù)據(jù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.4.1 升溫效果

在升溫前，溫區(qū)1至溫區(qū)5的溫度設(shè)定值依次為：525℃、495℃、495℃、495℃、490℃，升溫時(shí)間結(jié)束后，記錄的對比管B和管A的5次實(shí)驗(yàn)的實(shí)際溫度如表1所示。

將每次實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行差值計(jì)算，并得出實(shí)驗(yàn)A1至A5恒溫區(qū)實(shí)際值和設(shè)定值之間的平均差值，如圖6所示。

從圖6可知，實(shí)驗(yàn)A5因升溫時(shí)間短，加熱不充分，導(dǎo)致實(shí)際溫度遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度;實(shí)驗(yàn)A1因升溫時(shí)間過長，導(dǎo)致實(shí)際溫度遠(yuǎn)高于設(shè)定溫度;實(shí)驗(yàn)A3的實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)定值最為接近，通過迭代調(diào)整，可以得到能滿足工藝的溫度需求的升溫時(shí)間。

3.4.2 成膜均勻性

工藝完成后，使用橢偏儀測量實(shí)驗(yàn)硅片的膜厚數(shù)據(jù)，整理并計(jì)算均勻性后得到相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示。

將L1與L13的平均差值、片間均勻性和片內(nèi)均勻性整理后得到圖7和圖8。

從圖7和圖8中可看出，在具備輔助加熱的情況下L1與L13的平均差值會顯著減少，這說明輔助加熱有利于縮小石墨舟中間列和邊列的溫度差，使石墨舟整體溫度更加均勻，從而改善片間均勻性。對于片內(nèi)均勻性指標(biāo)，僅在實(shí)驗(yàn)A3優(yōu)于實(shí)驗(yàn)B的水平，這說明輔助加熱對改善片內(nèi)均勻性無明顯的作用。綜合片間均勻性和片內(nèi)均勻性的情況來說，在增加輔助加熱裝置后，可以得到更加均勻的工藝效果。

4 結(jié)論

本文在管式PECVD設(shè)備反應(yīng)腔中內(nèi)置了輔助加熱裝置，并通過實(shí)驗(yàn)分析輔助加熱裝置對升溫時(shí)間、氮化硅成膜質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)表明，增加輔助加熱后可以在縮短升溫時(shí)間、提升設(shè)備產(chǎn)能的同時(shí)，優(yōu)化氮化硅成膜均勻性指標(biāo)，此外，其對片間均勻性發(fā)揮了較為明顯的提升作用。

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