CN102637585A - 一种应用原子层沉积技术制备三氧化二铝钝化薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用原子层沉积技术制备三氧化二铝钝化薄膜的方法，所述方法包括：预热步骤，将衬底承载器放入预热腔室中，以热空气为介质对衬底进行预热；温度稳定步骤，待衬底承载器达到预定温度后，将衬底承载器转移至沉积腔室，以热惰性气体为介质对衬底进行加热；沉积步骤，待沉积腔室温度稳定后，通入反应气体完成至少一个三氧化二铝薄膜生长周期；冷却步骤，待完成三氧化二铝薄膜的沉积后，取出衬底承载器进行冷却。本发明在ALD工艺中引入独特的预热工艺和气体加热工艺，有效缩短了衬底材料的温度稳定时间，兼顾了时域ALD设备的成本低廉和批处理ALD设备的高产量特点，通过优化相关工艺参数有效提高了三氧化二铝薄膜的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造领域，特别涉及一种三氧化二铝钝化薄膜的原子层沉积制备工艺。
背景技术
在光伏产品中，晶硅太阳能电池的市场份额近80％，占据光伏产品的主导地位。为了进一步降低晶硅太阳能电池的制造成本，电池硅片的厚度不断减小。随之而来的问题是电池硅片表面处的载流子复合效率逐渐增加，降低了电池的光电转换效率。因此，需在电池硅片表面制作一层钝化层，以提高载流子的寿命，对钝化层的研究也成为当前晶硅太阳能电池领域的研究热点之一。近年来的研究结果表明，通过在晶硅太阳能电池结构中引入三氧化二铝(Al2O3)薄膜(p型电池的背电极处和n型电池的发射极处)可以有效钝化电池硅片面，提高电池的光电转化效率。
三氧化二铝钝化膜的制备工艺有物理气相沉积工艺(PVD)、化学气相沉积工艺(CVD)、原子层沉积工艺(ALD)以及溶胶-凝胶工艺等。其中，原子层沉积工艺以其低沉积工艺温度、高薄膜均匀性等特点受到越来越多的重视。但是，受自身工艺原理的限制ALD工艺的生长速率较低，一般只有2nm/min，这使得ALD设备的产量较低，极大限制了ALD工艺在三氧化二铝薄膜制备工艺领域推广应用。
近年来，陆续有不同的研究机构通过各种途径提高ALD设备的产量。目前，主要围绕以下两个方面来提高ALD设备的产量：
1、减少单个工艺周期的时间。ALD工艺具有周期性，且ALD反应具有自限制反应特点。通常情况下，每个工艺周期内薄膜生长的厚度保持不变。对于特定厚度的薄膜而言，只有减少单个工艺周期的时间，才能缩短工艺时间以提高生长速率，进而提高ALD设备产量。ALD工艺的每个生长周期可以分为“通入反应气A-洗气-通入反应气B-洗气”四个阶段(时域ALD工艺)。一方面，通过优化工艺参数可以获得最小的通气、洗气时间，减小单个工艺周期的时间，这种方法主要适合于时域的ALD工艺；另一方面，通过改进ALD设备的结构，可以利用衬底位置的移动来隔离两种反应气体，以实现ALD工艺。这种工艺通常被称为空间隔离ALD工艺(空域)。由于在空间隔离ALD工艺中避免了工艺周期中的洗气步骤，ALD工艺的单个工艺周期时间可以进一步缩短，极大地提高了薄膜的生长速率。据报道，空间隔离ALD工艺的最大生长速率可达到～30nm/min。但这一方法在技术上较复杂，且设备成本高。
2、增加ALD设备的容积。虽然ALD工艺的生长速率较低，但ALD工艺对工艺气体的均匀性、温度场的均匀性要求相对不高，这使得可以通过增加ALD设备的容积来提高产量。但是，增加ALD设备容积意味着增加ALD工艺的热预算，会增加衬底材料的加热时间和温度稳定时间，在一定程度上降低了ALD设备的产量。
有鉴于此，本发明在ALD工艺中引入独特的预热工艺和气体加热工艺，有效缩短了衬底材料的温度稳定时间，兼顾了时域ALD设备的成本低廉和批处理ALD设备的高产量特点，通过优化相关工艺参数有效提高了三氧化二铝薄膜的生产效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种应用原子层沉积技术制备三氧化二铝钝化薄膜的方法，通过该工艺单个腔室的产量可以达到600～900片/小时，四腔室ALD系统的产量可以达到2400～3600片/小时，符合工业化生产的要求。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种应用原子层沉积技术制备三氧化二铝钝化薄膜的方法，所述方法包括：
预热步骤，将衬底承载器放入预热腔室中，以热空气为介质对衬底进行预热；
温度稳定步骤，待衬底承载器达到预定温度后，将衬底承载器转移至沉积腔室，以热惰性气体为介质对衬底进行加热；
沉积步骤，待沉积腔室温度稳定后，通入反应气体完成至少一个三氧化二铝薄膜生长周期；
冷却步骤，待完成三氧化二铝薄膜的沉积后，取出衬底承载器进行冷却。
更好地，所述预热步骤中，所述热空气温度为250～400℃、流量为500～2000标准升/分钟，将所述衬底承载器预热到190～250℃。
更好地，所述预热步骤中，预热时间为4～10min，热空气在预热腔室的热空气出口处的温度为220～375℃。
更好地，所述温度稳定步骤中，向沉积腔室中通入温度为190～250℃的N2，流量为10-50标准升/分钟，温度稳定时间为4～8min。
更好地，所述温度稳定步骤中，在3～5min时间内，使沉积腔室内的压力达到1～20Torr。
更好地，所述沉积步骤中，沉积腔室内的温度为180-240℃，通入N2的并保持流量为10～20标准升/分钟，在沉积腔室压力为1～20Torr时，通入三甲基铝，洗气；再通入H2O或O3，洗气，在12-15分钟内生成大约20nm厚度的三氧化二铝钝化薄膜。
更好地，三甲基铝和H2O或O3的气体流量总和保持不变，通过改变恒流气路的流量来改变源气路和恒流气路的二者流量比例，源气路的流量与N2的流量比值范围为0.05～0.1。
更好地，三甲基铝和H2O或O3的气体流量总和保持不变，通过改变N2的流量来控制所述流量比值；或N2的流量保持不变，通过改变三甲基铝和H2O或O3的气体流量总和来控制所述流量比值。
更好地，三甲基铝气体的温度范围为10～25℃，H2O气体的温度范围为5～25℃，O3的浓度范围是200～300g/m3。
更好地，所述冷却步骤中，向沉积腔室通入N2，待腔室内压力达到常压后，取出衬底承载器，放置于指定工位冷却。
(三)有益效果
本发明在ALD工艺中引入独特的预热工艺和气体加热工艺，有效缩短了衬底材料的温度稳定时间，兼顾了时域ALD设备的成本低廉和批处理ALD设备的高产量特点，通过优化相关工艺参数有效提高了三氧化二铝薄膜的生产效率。
附图说明
图1为原子层沉积系统的预热腔室结构示意图；
图2为原子层沉积系统的沉积腔室结构示意图；
图3为原子层沉积系统的衬底承载器结构示意图；
图4为原子层沉积系统的气路分布示意图；
图5为本发明原子层沉积技术制备三氧化二铝钝化薄膜的方法步骤流程图。
具体实施方式
一种应用原子层沉积技术制备三氧化二铝钝化薄膜的方法，所述方法包括步骤：
如图5并参考图1所示，预热步骤：将衬底承载器15放入预热腔室16中，以热空气为介质对衬底进行预热；所述气温度为250～400℃的热空气从热空气入口13进入预热腔室16、流量为500～2000标准升/分钟；将所述衬底承载器15预热到190～250℃，预热时间为4～10min，热空气在预热腔室16的热空气出口18处的温度为220～375℃。
如图2并参考图3，图4所示，温度稳定步骤，待衬底承载器15达到190～250℃之后，将衬底承载器15取出并放入沉积腔室21中，在衬底承载器15的转移过程中由于环境温度低(室温)，导致该衬底承载器15的温度也随之降低，进而导致沉积腔室21的温度出现波动。此时，打开气动阀V4以热惰性气体为介质对衬底承载器15进行加热；向沉积腔室21中通入温度为190～250℃的N2，流量为10-50标准升/分钟，温度稳定时间为4～8min。在温度稳定过程中，同时对沉积腔室21抽很空，在3～5min时间内，使沉积腔室内21的压力达到1～20Torr。
如图4并参考图2所示，沉积步骤，待沉积腔室21温度稳定后，通入反应气体完成至少一个三氧化二铝薄膜生长周期，沉积腔室内21的温度保持在180-240℃。关闭气动阀V4，打开气动阀V2和V5，经由三甲基铝(TMA)+N2入口23和H2O或O3+N2入口25向沉积腔室21中通入N2，通入N2的并保持流量为10～20标准升/分钟，待沉积腔室21的气压稳定在1～20Torr时，开始薄膜沉积工艺。
1、通入TMA：打开气动阀V3，经由TMA+入口23向沉积腔室21中通入TMA；
2、洗气：关闭气动阀V3，此时N2通过气动阀V2、V5进入沉积腔室21。
3、通入H2O或O3：打开气动阀V6，通过H2O或O3+N2入口25向沉积腔室21通入H2O或O3。
4、洗气：关闭气动阀V6，N2通过气动阀V2、V5进入沉积腔室21，完成一个三氧化二铝薄膜生长周期，在12-15分钟内生成大约20nm厚度的三氧化二铝钝化薄膜。
冷却步骤，待完成三氧化二铝薄膜的沉积后，取出衬底承载器进行冷却。具体地说：待完成三氧化二铝薄膜的沉积后，向沉积腔室21通入N2，待沉积腔室21内压力达到常压后，取出衬底承载器15，放置于指定工位冷却。
另外，TMA和H2O或O3的气体流量总和保持不变，通过改变N2的流量来控制所述流量比值；或N2的流量保持不变，通过改变TMA和H2O或O3的气体流量总和来控制所述流量比值。其中，TMA气体的温度范围为10～25℃，H2O气体的温度范围为5～25℃，O3的浓度范围是200～300g/m3。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
ALD工艺参数为：工艺温度180℃，工艺气压10Torr，ALD工艺周期为3.2s，TMA发生器温度15℃，H2O发生器的温度12℃，恒流气路流量10标准升/分钟。沉积时间为10.7min
预热工艺中，热空气温度250℃(入口)，热空气流量1000标准升/分钟，预热温度190℃。在该预热工艺条件下，预热时间为8.2min，热空气温度(出口)为220℃。
温度稳定工艺中，热N2的温度为190℃，流量为20标准升/分钟。在该工艺条件下，温度稳定时间为～3.8min。
对衬底材料进行厚度检测，可计算出三氧化二铝钝化薄膜厚度为19.2nm。在该工艺参数下，工艺周期为～18min(工业化生产中)。
实施例2
ALD工艺参数为：工艺温度200℃，工艺气压1Torr，ALD工艺周期为4.5s，TMA发生器温度15℃，H2O发生器的温度12℃，恒流气路流量20标准升/分钟。沉积时间为15min
预热工艺中，热空气温度400℃(入口)，热空气流量1000标准升/分钟，预热温度210℃。在该预热工艺条件下，预热时间为4.1min，热空气温度(出口)为330℃。
温度稳定工艺总，热N2的温度为210℃，流量为50标准升/分钟。在该工艺条件下，温度稳定时间为～4.2min。
对衬底材料进行厚度检测，可计算出三氧化二铝钝化薄膜厚度为20.3nm。在该工艺参数下，工艺周期为～21min(工业化生产中)。
实施例3
ALD工艺参数为：工艺温度180℃，工艺气压5Torr，ALD工艺周期为4.5s，TMA发生器温度15℃，O3的浓度为300g/m3，恒流气路流量10标准升/分钟。沉积时间为15min
预热工艺中，热空气温度250℃(入口)，热空气流量2000标准升/分钟，预热温度190℃。在该预热工艺条件下，预热时间为6.5min，热空气温度(出口)为230℃。
温度稳定工艺总，热N2的温度为190℃，流量为10标准升/分钟。在该工艺条件下，温度稳定时间为～7min。
对衬底材料进行厚度检测，可计算出三氧化二铝钝化薄膜厚度为20.5nm。在该工艺参数下，工艺周期为～25min(工业化生产中)。
实施例4
ALD工艺参数为：工艺温度240℃，工艺气压10Torr，ALD工艺周期为5s。TMA发生器温度10℃，O3的浓度为200g/m3。，恒流气路流量20标准升/分钟沉积时间为16.6min
预热工艺中，热空气温度400℃(入口)，热空气流量2000标准升/分钟，预热温度250℃。在该预热工艺条件下，预热时间为4.5min，热空气温度(出口)为360℃。
温度稳定工艺总，热N2的温度为250℃，流量为30标准升/分钟。在该工艺条件下，温度稳定时间为～6.5min。
对衬底材料进行厚度检测，可计算出三氧化二铝钝化薄膜厚度为19.4nm。在该工艺参数下，工艺周期为～26min(工业化生产中)。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种应用原子层沉积技术制备三氧化二铝钝化薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括：
预热步骤，将衬底承载器放入预热腔室中，以热空气为介质对衬底进行预热；
温度稳定步骤，待衬底承载器达到预定温度后，将衬底承载器转移至沉积腔室，以热惰性气体为介质对衬底进行加热；
沉积步骤，待沉积腔室温度稳定后，通入反应气体完成至少一个三氧化二铝薄膜生长周期；
冷却步骤，待完成三氧化二铝薄膜的沉积后，取出衬底承载器进行冷却。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述预热步骤中，所述热空气温度为250～400℃、流量为500～2000标准升/分钟，将所述衬底承载器预热到190～250℃。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预热步骤中，预热时间为4～10min，热空气在预热腔室的热空气出口处的温度为220～375℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度稳定步骤中，向沉积腔室中通入温度为190～250℃的N2，流量为10-50标准升/分钟，温度稳定时间为4～8min。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述温度稳定步骤中，在3～5min时间内，使沉积腔室内的压力达到1～20Torr。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤中，沉积腔室内的温度为180-240℃，通入N2的并保持流量为10～20标准升/分钟，在沉积腔室压力为1～20Torr时，通入三甲基铝，洗气；再通入H2O或O3，洗气，在12-15分钟内生成大约20nm厚度的三氧化二铝钝化薄膜。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，三甲基铝和H2O或O3的气体流量总和保持不变，通过改变恒流气路的流量来改变源气路和恒流气路的二者流量比例，源气路的流量与N2的流量比值范围为0.05～0.1。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，三甲基铝和H2O或O3的气体流量总和保持不变，通过改变N2的流量来控制所述流量比值；或N2的流量保持不变，通过改变三甲基铝和H2O或O3的气体流量总和来控制所述流量比值。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，三甲基铝气体的温度范围为10～25℃，H2O气体的温度范围为5～25℃，O3的浓度范围是200～300g/m3。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却步骤中，向沉积腔室通入N2，待腔室内压力达到常压后，取出衬底承载器，放置于指定工位冷却。
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