管式PECVD設備的溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)對鍍膜均勻性的影響分析

張 永，王貴梅，孟小瑋，邵海嬌，張建軍

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

氮化硅薄膜由于具有致密性強、耐腐蝕等優(yōu)良特性，在光伏行業(yè)中常被用作PERC太陽電池的鈍化減反射薄膜[1]。管式PECVD設備沉積的氮化硅薄膜具有良好的致密性、體鈍化效果，并且其在長波響應方面比板式PECVD設備沉積的氮化硅薄膜優(yōu)勢明顯；但是受鍍膜方式的影響，管式PECVD設備的鍍膜均勻性略差于板式PECVD設備的[1]。目前，為提升產(chǎn)業(yè)化管式PECVD設備的產(chǎn)能，爐管的內(nèi)徑不斷增大，鍍膜效果呈現(xiàn)出從石墨舟外舟片到內(nèi)舟片膜厚逐漸降低的現(xiàn)象。因此，為了改善管式PECVD設備鍍膜的均勻性，本文研究了管式PECVD設備的溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)中溫區(qū)的溫度設置、加熱時間設置、整體溫度設置，以及舟片間距設置分別對管式PECVD設備鍍膜均勻性的影響，并重點針對不同鍍膜均勻性偏差的調(diào)試方式進行了研究。

1 實驗方法

1.1 實驗儀器

本實驗采用由深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的PD-380A型管式PECVD設備，對尺寸為156 mm×156 mm的多晶硅片進行鍍膜；石墨舟采用深圳市石金科技股份有限公司生產(chǎn)的載硅片數(shù)量為216片(19個舟片)的石墨舟；測試氮化硅薄膜的膜厚和折射率采用北京量拓科技有限公司生產(chǎn)的EMPro-PV橢偏儀。管式PECVD設備鍍膜的結構示意圖如圖1所示。設備的溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)中的5個溫區(qū)分別為：溫區(qū)1-爐口(LZ)、溫區(qū)2-爐中(LCZ)、溫區(qū)3-爐中(CZ)、溫區(qū)4-爐中(GCZ)、溫區(qū)5-爐尾(GZ)。

1.2 實驗設計

采用同一批次的硅片進行實驗，經(jīng)過相同的機臺處理工序，采用同一臺爐管、同一個石墨舟進行鍍膜；分別通過改變管式PECVD設備的溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)中溫區(qū)的溫度設置、加熱時間設置、整體溫度設置及舟片間距設置，觀察不同設置下鍍膜的均勻性，即膜厚和折射率的變化情況。本文所研究的均勻性為片間均勻性。根據(jù)石墨舟的行與列建立對應的xy軸坐標系(見圖1)，根據(jù)不同設置條件的需要，測試對應的坐標位置的硅片的膜厚和折射率，每片硅片均測試硅片中心點位置的膜厚和折射率。

2 實驗結果分析

2.1 溫區(qū)溫度設置對鍍膜均勻性的影響

管式PECVD設備采用5個溫區(qū)內(nèi)部控溫的方式，石墨舟在進舟過程中是舟尾先進入爐管，因此舟尾的加熱時間較長，同時由于進舟時爐門打開，會導致爐口的溫度下降明顯。制備氮化硅薄膜的特氣(氨氣和硅烷)是在爐口位置通入，反應生成的尾氣在爐尾位置由泵從爐管內(nèi)部抽出；特氣在爐管內(nèi)的運動過程中經(jīng)過加熱區(qū)時被加熱，經(jīng)過石墨舟時發(fā)生反應生成氮化硅薄膜，該過程為放熱過程，然后特氣會被再次加熱。這就導致在反應過程中石墨舟的舟頭和舟尾的舟片溫度、硅片溫度、特氣溫度均存在一定差異。

因此，梯度設置3種不同的溫區(qū)溫度情況，并進行測試，選取的用于測試的硅片位置為(1,3)、(1,15)、(3,9)、(6,3)、(6,15)。觀察梯度設置不同的溫區(qū)溫度對所鍍氮化硅薄膜的膜厚和折射率的均勻性的影響，以膜厚極差和折射率極差進行表征，得到的對應的鍍膜均勻性的情況如表1所示，對應的鍍膜均勻性的趨勢圖如圖2所示。其中，極差是指石墨舟5個位置的硅片所鍍氮化硅薄膜的膜厚和折射率的最大值和最小值之差，極差越大，鍍膜均勻性越差。

從表1和圖2可以看出，當梯度設置溫區(qū)溫度時，在爐口溫度與爐尾溫度之間的溫差逐漸增大到35 ℃的過程中，與初始設置時相比，管式PECVD設備所鍍氮化硅薄膜的膜厚和折射率的均勻性均存在好轉(zhuǎn)的趨勢。由此可以表明，對不同溫區(qū)溫度進行梯度設置可有效減少由5個溫區(qū)內(nèi)部控溫方式引起的舟片溫度、硅片溫度、特氣溫度差異而導致的鍍膜不均勻現(xiàn)象。

圖2 不同的溫區(qū)溫度設置對應的鍍膜均勻性趨勢圖Fig.2 Trend chart of coating uniformity corresponding to temperature settings in different temperature zones

表1 不同的溫區(qū)溫度設置對應的鍍膜均勻性的情況Table 1 Coating uniformity corresponding to temperature settings in different temperature zones

2.2 加熱時間設置對鍍膜均勻性的影響

由于管式PECVD設備的爐管采用了由爐管外加熱再熱傳導到爐管內(nèi)的加熱方式，因此接近爐管外壁位置(即石墨舟外舟片位置)的硅片受熱溫度會相對偏高。硅片作為襯底，其溫度越高，所鍍的氮化硅薄膜的膜厚就會越厚。因此，實驗通過調(diào)節(jié)加熱時間來觀察加熱時間不同時對整舟硅片鍍膜均勻性造成的影響[2]。

加熱時間分別設置為9 min和12 min時，爐內(nèi)溫度和爐壁溫度隨鍍膜工藝進程變化的曲線如圖3、圖4所示。

圖3 加熱時間為9 min時爐內(nèi)溫度和爐壁溫度隨鍍膜工藝進程變化的曲線Fig.3 Curve of furnace temperature and furnace wall temperature with coating process progress when heating time is 9 min

圖4 加熱時間為12 min時爐內(nèi)溫度和爐壁溫度隨鍍膜工藝進程變化的曲線Fig.4 Curve of furnace temperature and furnace wall temperature with coating process progress when heating time is 12 min

圖3和圖4反映了爐內(nèi)溫度和爐壁溫度隨加熱時間的變化而變化的規(guī)律性。在剛開始的加熱階段，由于進入爐管內(nèi)的石墨舟及硅片的溫度偏低，導致爐管內(nèi)的溫度偏低，爐壁外的加熱系統(tǒng)需全功率為爐管升溫，因此爐壁熱偶的監(jiān)控溫度大于爐內(nèi)溫度；隨著加熱時間的延長，爐內(nèi)溫度和爐壁溫度達到一致，即圖3和圖4中的2條溫度曲線的交點；此時，爐壁外的加熱系統(tǒng)停止加熱，經(jīng)過短暫檢漏、升溫(嚴格意義上該工藝進程為恒溫，但由于工藝設置中沒有恒溫設置，因此工藝進程體現(xiàn)為升溫)，使溫度穩(wěn)定后，開始鍍膜工藝；由于鍍膜時采用等離子體沉積的方式會釋放熱量，因此爐內(nèi)溫度會略有升高，爐壁同時也會采用水冷的降溫方式，以保證爐管內(nèi)部鍍膜工藝溫度的恒定性。

此次實驗共測試2舟硅片的鍍膜均勻性情況，每舟硅片的取片位置均為(1,1)和(1,9)、(3,1)和(3,9)、(6,1)和(6,9)，以相同x軸位置上2片硅片的氮化硅薄膜的膜厚和折射率的偏差來表征不同加熱時間設置對鍍膜均勻性的影響，得到的結果具體如表2所示。

由表2可知，管式PECVD設備的加熱時間為12 min時與加熱時間為9 min時相比，同一石墨舟上外舟片與內(nèi)舟片所鍍的氮化硅薄膜的膜厚偏差降低了0.4～0.8 nm，折射率偏差降低了0.026～0.029，即增加加熱時間能夠改善鍍膜的均勻性。這是因為增加加熱時間后，石墨舟內(nèi)、外舟片不同位置硅片的受熱更加均勻，熱場的均勻性能有效改善等離子體分布的均勻性，進而提高所鍍氮化硅薄膜的膜厚和折射率的均勻性。

表2 不同加熱時間設置對應的鍍膜均勻性的情況Table 2 Coating uniformity corresponding to different heating time settings

2.3 整體溫度設置對鍍膜均勻性的影響

在保持氨氣和硅烷比例及氣體總量、射頻參數(shù)等工藝設定條件不變的情況下，調(diào)節(jié)溫區(qū)的整體溫度(此處整體溫度是指5個溫區(qū)的平均溫度)，觀察整體溫度調(diào)節(jié)后的鍍膜均勻性。此實驗選取硅片的位置為y=1和y=9，各取6片，以相同x位置上2片硅片所鍍氮化硅薄膜的膜厚和折射率偏差的均值來表征整體溫度設置不同對鍍膜均勻性的影響，得到的結果如表3所示。

表3 不同整體溫度設置對應的鍍膜均勻性的情況Table 3 Coating uniformity corresponding to different overall temperature settings

由表3可知，隨著鍍膜工藝中整體溫度的降低，同一石墨舟上內(nèi)舟片和外舟片的膜厚偏差的均值及折射率偏差的均值都減?。浑S著整體溫度從480 ℃降至440 ℃，所鍍的氮化硅薄膜的膜厚偏差的均值降低了1.17 nm，折射率偏差的均值降低了0.021。由于管式PECVD設備采用爐管外加熱再熱傳導到爐管內(nèi)部的加熱方式，而石墨舟外舟片與爐壁位置較近，所以其溫度較高，但整體溫度過高會導致外舟片與內(nèi)舟片的沉積速率的差異增大，而降低鍍膜工藝的整體溫度可以改善此現(xiàn)象。

2.4 舟片間距設置對鍍膜均勻性的影響

在保持氨氣和硅烷比例與氣體總量、射頻參數(shù)、整體溫度等工藝設定條件不變的情況下，調(diào)節(jié)石墨舟外舟片的舟片間距，觀察所鍍氮化硅薄膜的膜厚和折射率的均勻性，以研究舟片間距對鍍膜均勻性的影響。采用更改外舟片的舟片間距的方法，即改變y=1位置上6片硅片的舟片間距，設置舟片間距分別為12.0 mm、11.5 mm、11.0 mm，保證y=2位置上6片硅片的舟片間距為固定間距11.0 mm，以相同x位置上2片硅片的氮化硅薄膜的膜厚和折射率偏差(即(x,1)–(x,2)的值)的均值來表征不同舟片間距設置對鍍膜均勻性的影響，得到的結果如表4所示。

由表4可知，隨著石墨舟外舟片的舟片間距變小，外舟片上的硅片所鍍氮化硅薄膜的膜厚和折射率均升高，導致外舟片和內(nèi)舟片的膜厚和折射率偏差的均值均升高。原因在于2個舟片之間的電場強度隨著舟片間距變小而變大，從而外舟片的舟片間距改變時，影響了帶電等離子體在硅片表面的沉積。因此，可以通過改變舟片間距來改變舟片之間的膜厚和折射率的差異。根據(jù)這一特性，通過設置不同的石墨舟的舟片間距可以解決由舟片固定位置引起的色差問題。比如外舟片的舟片間距由11 mm調(diào)整到12 mm，可以明顯改善外舟片由于受熱程度高帶來的膜厚和折射率均偏高的情況。

表4 不同舟片間距設置對應的鍍膜均勻性的情況Table 4 Coating uniformity corresponding to different boat sheet spacing settings

3 結論

本文研究了管式PECVD設備中溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)中溫區(qū)溫度設置、加熱時間設置、整體溫度設置，以及舟片間距設置分別對管式PECVD設備鍍膜均勻性的影響。研究結果表明，通過將爐口溫度到爐尾溫度設置為依次降低的趨勢(梯度溫差以最大35 ℃為宜)，或適當增加加熱時間，或降低整體溫度，或增加石墨舟外舟片的舟片間距至12 mm，均可以有效改善管式PECVD設備鍍膜不均勻的現(xiàn)象。研究結果對管式PECVD設備鍍膜色差比例偏高的調(diào)試具有一定的指導意義。