管式PECVD 反應(yīng)室流場(chǎng)仿真優(yōu)化及應(yīng)用研究

周佑丞,張春成,趙志然,譚 瞻,王 錦,成秋云

(1.湖南紅太陽光電科技有限公司,湖南 長沙 410000;2.國家光伏裝備工程技術(shù)中心,湖南 長沙 410000;3.中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所,湖南 長沙 410000)

0 引言

目前,在半導(dǎo)體或光伏制造領(lǐng)域中,等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于沉積高品質(zhì)納米級(jí)薄膜[1-2],隨著硅片尺寸日益增大和工藝時(shí)間逐步壓縮,鍍膜均勻性成為了工藝沉積過程中的關(guān)鍵難點(diǎn)[3]。

影響鍍膜工藝均勻性的因素主要有溫度、流速、壓力、淀積功率[4]等,近幾十年來,國內(nèi)外科研學(xué)者針對(duì)前述因素做了大量的研究工作。夏煥雄[5]等對(duì)四種不同穩(wěn)流孔反應(yīng)腔室進(jìn)行了熱流場(chǎng)仿真,得到了腔室內(nèi)溫度與流場(chǎng)的分布特性。李志明[6]等對(duì)MOCVD 反應(yīng)腔室進(jìn)行流體仿真,研究了薄膜厚度分布與反應(yīng)室渦旋的關(guān)系。Ding,JN[7]等研究了在PECVD 系統(tǒng)中,電極等工藝參數(shù)對(duì)生長薄膜均勻性的影響。

本文針對(duì)大尺寸硅片提出了一種鏤空石墨舟塊結(jié)構(gòu)用于改善石墨舟中、舟尾中間硅片片內(nèi)/片間均勻性,以某企業(yè)生產(chǎn)的管式PECVD 反應(yīng)腔室進(jìn)行三維建模仿真,分析對(duì)比不同結(jié)構(gòu)石墨舟下的反應(yīng)室內(nèi)部流場(chǎng)分布,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鏤空舟塊對(duì)鍍膜均勻性的改善情況。

1 仿真模型建立

1.1 反應(yīng)室結(jié)構(gòu)模型

圖1 所示為管式PECVD 反應(yīng)腔室的簡化三維模型圖,其工藝原理為:裝滿硅片的石墨舟被送入石英反應(yīng)腔體,通過爐尾端電極引入裝置與高頻電源可靠接觸,工藝氣體從爐口法蘭進(jìn)入,壓力穩(wěn)定后,高頻電源輝光放電產(chǎn)生等離子體促進(jìn)氣體分子分解、電離、化合沉積在硅片上形成薄膜,反應(yīng)完的氣體通過真空泵從爐尾抽口抽走。

圖2 所示為兩種石墨舟結(jié)構(gòu)對(duì)比,石墨舟塊主要用于支撐固定石墨舟片,在不影響強(qiáng)度的情況下,對(duì)石墨舟舟塊鏤空,仿真觀察鏤空前后石墨舟片間的氣流分布,驗(yàn)證氣流場(chǎng)與石墨舟結(jié)構(gòu)的相應(yīng)關(guān)系。

1.2 數(shù)學(xué)仿真模型

PECVD 沉積反應(yīng)通常發(fā)生在(700～900) K、(180～260) Pa 條件下,反應(yīng)室內(nèi)氣體流動(dòng)很低,可以認(rèn)為是連續(xù)不可壓氣體[8]。本文主要研究不同石墨舟結(jié)構(gòu)下反應(yīng)腔體內(nèi)的氣流分布,暫不考慮氣體分子間的化合反應(yīng)及溫度場(chǎng)的影響,故仿真控制方程主要包括連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。

其中,連續(xù)性方程:[9]

式中ρ—?dú)怏w密度;

V—?dú)怏w速度矢量;

t—時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程:

式中μ—?dú)怏w的動(dòng)力粘度;

P—石英管內(nèi)靜壓力;

ui—石英管內(nèi)工藝氣體速度分量;

sMi—除壓力源外的沿X、Y、Z軸三個(gè)方向的廣義源項(xiàng)。

1.3 邊界條件

本文使用Star-CCM 流體仿真軟件建立連續(xù)流體模型,進(jìn)口邊界設(shè)置為Mass Flow Inlet,出口邊界設(shè)置為Pressure Outlet,為簡化模型,采用單一的NH3質(zhì)量流作為流體介質(zhì),其流速設(shè)置為10 L/min,出口處壓力設(shè)置為300 Pa,流體模型設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)KEpsilon Trubulence 湍流模型[8]。

2 流場(chǎng)仿真結(jié)果分析

圖3 所示為兩種石墨舟在反應(yīng)室內(nèi)部的整體流線仿真云圖對(duì)比,由圖可以明顯看出,鏤空的石墨舟結(jié)構(gòu),內(nèi)部流體速率明顯提升,且流動(dòng)更加順暢,整體呈螺旋型流線由爐口流向爐尾。

圖3 反應(yīng)室內(nèi)部整體流線仿真云圖對(duì)比

為更好的觀測(cè)仿真結(jié)果,選取石墨舟正負(fù)極板的中間面為觀測(cè)面,石墨舟采用27 片舟葉對(duì)稱設(shè)計(jì),共26 個(gè)監(jiān)測(cè)面。本文選取左側(cè)第1、第13 兩個(gè)監(jiān)測(cè)平面分別研究舟塊鏤空對(duì)石墨舟外片及中間片流場(chǎng)的影響。

圖4、圖5 所示分別為第1 監(jiān)測(cè)面、第13 監(jiān)測(cè)面流線仿真云圖對(duì)比,由圖分析可知,石墨舟塊鏤空后,監(jiān)測(cè)面速度明顯提升,整體流率明顯增加,有利于石墨舟舟尾的氣體沉積反應(yīng);同時(shí),監(jiān)測(cè)面1 的流率明顯高于監(jiān)測(cè)面13,即邊片的反應(yīng)速率高于中間片的反應(yīng)速率,改進(jìn)石墨舟后,監(jiān)測(cè)面13 的流率也得到顯著提升,即石墨舟舟塊鏤空對(duì)舟尾硅片及舟中硅片的氣體沉積均勻性均有明顯的改善效果。

圖5 第13 監(jiān)測(cè)面流線仿真云圖對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

基于上述仿真分析結(jié)論,筆者選取某企業(yè)2GW PERC 電池生產(chǎn)線PECVD 設(shè)備做為驗(yàn)證平臺(tái),分別搭載實(shí)心舟塊和鏤空舟塊的石墨舟,驗(yàn)證兩種情況下鍍膜均勻性的技術(shù)指標(biāo)。圖6 為換上鏤空舟塊的石墨舟實(shí)圖。

圖6 鏤空210 硅片石墨舟

實(shí)驗(yàn)采取相同的溫度、氣體流量及放電功率,硅片采用單晶210 硅片,厚度為170 ±30 μm,實(shí)驗(yàn)取片按舟頭、舟中、舟尾,每段各取兩外側(cè)及中間片共計(jì)9 片,采用橢偏儀測(cè)量膜厚,片內(nèi)均勻性按5 點(diǎn)取樣法,均勻性計(jì)算公式為:均勻性=(最大值-最小值)/(2 ×平均值) ×100%。

圖7 所示為兩種石墨舟膜厚片間及片內(nèi)均勻性對(duì)比,由圖可知,采用鏤空舟塊,片間均勻性偏差及片內(nèi)均勻性偏差均有一定程度降低。舟塊的鏤空改善了反應(yīng)氣體在石墨舟極板之間的流動(dòng),促使反應(yīng)氣體在極板之間淀積更充分,特別是舟中及舟尾中間槽的改善效果明顯。

圖7 兩種石墨舟片間片內(nèi)均勻性對(duì)比

圖8 所示為兩種石墨舟舟中中間片及舟尾中間片的膜厚片內(nèi)平均值對(duì)比,由圖可明顯看出,采用鏤空舟塊,舟中和舟尾中間硅片膜厚片內(nèi)平均值提高了2～3 nm,極大的改善了傳統(tǒng)石墨舟中間硅片發(fā)紅偏薄的工藝情況,有效的提高了整舟的片間均勻性。

圖8 兩種石墨舟舟中舟尾中間片膜厚片內(nèi)平均值對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)PECVD 大尺寸硅片鍍膜均勻性的難點(diǎn),從改善氣體流速的角度出發(fā),針對(duì)石墨舟進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),解決舟中和舟尾中間硅片的發(fā)紅偏薄問題,從而提高整舟的片間均勻性。

利用Star-CCM 流體仿真軟件對(duì)實(shí)際反應(yīng)室結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化建模,觀測(cè)氣體在石墨舟極板及反應(yīng)腔室內(nèi)的流動(dòng)分布,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)鏤空舟塊對(duì)氣體流速的改善效果。最后根據(jù)仿真結(jié)果,在某企業(yè)PERC 電池產(chǎn)線PECVD 機(jī)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鏤空石墨舟的片間均勻性及片內(nèi)均勻性均有一定的提高。

PECVD 工藝反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多物理場(chǎng)、多相參數(shù)耦合的化學(xué)沉積反應(yīng)過程,更準(zhǔn)確全面的仿真除了流場(chǎng),還需要考慮熱場(chǎng)、等離子場(chǎng)、電磁場(chǎng)等多相化學(xué)耦合反應(yīng),后續(xù)會(huì)從熱場(chǎng)及溫度的角度出發(fā),考慮進(jìn)一步優(yōu)化整舟均勻性的各項(xiàng)措施。