CN105525278B - 用于pecvd镀硅或硅化物膜的真空腔体的清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于PECVD镀硅或硅化物膜的腔体的清洗方法。该方法包括下列步骤：步骤A：切断正处于工作状态且待清洗的真空腔体的加热电源，回填大气，并立即打开所述腔体使其内部暴露于空气中，待所述腔体内壁不再有碎渣脱落；步骤B：将脱落的所述碎渣物理方法清除；步骤C：在所述清除之后，利用氟化合物产生的自由基对所述腔体进行在线自清洗。本发明耗时短，化学物质消耗量低，清洗彻底。

Description

用于PECVD镀硅或硅化物膜的真空腔体的清洗方法

技术领域

本发明涉及晶硅太阳能电池生产和其它半导体生产领域，具体而言，涉及一种用于PECVD镀硅或硅化物膜的真空腔体的清洗方法。

背景技术

等离子增强化学气相沉积法(PECVD)镀膜是晶硅太阳能电池生产工艺中很重要的一道工序。PECVD镀膜的典型流程如图1所示，硅片放置在载板上，载板经过装载腔进入真空并加热，然后进入工艺沉积腔进行PECVD镀膜，然后进入冷却腔冷却后进入卸载腔放气后出载。在工艺沉积腔中镀膜时，等离子源等电极和腔体周围也会镀膜，一方面，时间长了以后，电极和腔体表面的膜会掉下来，如果掉到硅片上会导致硅片成废品；另一方面，离子源电极上镀膜厚了以后对等离子的性质有影响，使镀膜的质量发生改变。因此镀膜一定时间后，腔体连同其内部的设备，尤其是离子源部位必须下线清洗。

目前市场上使用的生产设备中，有一部分设备清除镀膜比较方便，比如在德国公司Meyer Burger生产的设备SiNA和MAiA分别用于氮化硅抗反射膜的生产和AlO+SiN膜的生产，其是采用微波源激发形成等离子体，这种等离子源可以用石英管保护起来，保证等离子源不被镀膜污染，过一段时间，只需拆除石英管换新即可。

而有一部种设备清洗非常不便，例如使用线性等离子源时，它用射频RF激发，电极必须直接面对等离子体，无法用石英等材料保护，离子源电极用铝或者阳极氧化层保护着铝，当电极表面镀膜后必须定期清洗，否则会产生掉渣，并且工艺发生漂移。目前对这类设备常用的清洗方法是腔体在线自清洗(in-situ self cleaning)。即利用氟的自由基能跟硅或硅的化合物(Si，SiN，SiO₂)反应生成SiF₄气体，在真空中抽走。氟的自由基可以通入氟的稳定化合物(如SF₆，C₂F₆，NF₃，F₂等)在腔体里或外的等离子激发下产生。其清洗原理可以用如下化学反应式表达：

SF₆+O₂→SO₂+F·

这种清洗方式镀膜时间和清洗时间的比例在10:4左右。即如果镀膜时间是1天(24小时)，清洗时间就需要9.6小时，同时也会消耗更多的化学气体，使得整个工艺成本提高。这种工艺在半导体生产中被广泛应用，但在需要低成本太阳能电池生产中，这种清洗技术无法推广使用。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于PECVD镀硅或硅化物膜的真空腔体的清洗方法，所述的清洗方法耗时短，化学物质消耗量低，清洗彻底。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种用于PECVD镀硅或硅化物膜的真空腔体的清洗方法，包括下列步骤：

步骤A：切断正处于工作状态且待清洗的腔体的加热电源，回填大气，并立即打开所述真空腔体使其内部暴露于空气中，待所述真空腔体内不再有碎渣脱落；

步骤B：将脱落的所述碎渣用物理方法清除；

步骤C：在所述清除之后，腔体回到真空状态，利用氟化合物产生的氟自由基对所述腔体进行在线自清洗。

上述清洗方法首先采用物理方法清除腔体内的大部分SiN沉积层，它的原理是SiN在温度骤降下由于热胀冷缩效应会变脆，从腔体容器的表面及离子源电极的表面自动剥离脱落；清除剥离的碎渣可以用真空吸尘器，几分钟时间就能实现。然后用在线自清洗的方法清除掉残留的少部分SiN沉积物。由于物理方法清除耗时短，并能除去大部分的镀膜，因此必然缩短总清洗周期；而且由于上述方法在物理方法清除这一步，是将处于工作状态(温度通常为400℃左右)的腔体直接骤冷，而无需消耗另外的热量去专门加热腔体，因此更节能环保；同时，增加物理方法清除步骤必然会减少在线自清洗所消耗的化学原料。在线式化学自清洗的方法是本发明的重要组成部分之一，它能清除不能自动脱离的部分膜，尤其是电极上出气孔等部位，从而彻底完全地清洗腔体内部，而如果不进行化学自清洗就不能完成恢复工艺效果。

综上可知，与传统清洗方法相比，本发明耗时短，化学物质消耗量低，而且同样能实现清洗彻底的目的。经验证，本发明镀膜时间和清洗时间可以达到10:1以上，清洗效率比传统技术提高了约80％，大幅降低了化学清洗成本。

上述清洗方法还可以进一步优化：

优选地，步骤A中，打开所述真空腔体使其内部暴露于空气中至少30分钟。

30分钟内，所镀膜基本脱落完全，若继续将腔体暴露在空气中，温度下降过冷，恢复腔体温度所需加热时间增加，降低设备利用率。

当然，暴露的时间与设备的镀膜时间长短也有关系，若镀膜时间长，则可以视情况适当延长暴露时间。

优选地，所述步骤B中清除的方法为：用真空吸尘器吸出。

真空吸尘器清除得更彻底，且效率高，而且大大减少劳力投入。

优选地，所述待清洗的真空腔体为累计连续镀膜使用1天以上的腔体。

首先是，镀膜时间与腔体内部件的沉积量有关，过长时SiN沉积过多，会影响产品质量；如果沉积时间过短，表明的膜厚不够，不容易自动脱离。在实际工作中，腔体不宜连续使用10天以上，至少应10天清洗一次。另外，对于一个专业人员，同时会考虑能降低沉积量的腔体结构设计。

优选地，所述在线自清洗的方法为：

保持所述真空腔体内为真空，温度为200-500℃，再向所述真空腔体内通入氟化物，利用射频激发产生等离子体使所述氟化物活化，与腔体内残留的硅或硅化物发生反应，最后抽出所生成的气体。

与现有的在线自清洗方法相比，该方案主要优化了化学清洗的温度，清洗过程同时在加热，降低了总体腔体维护时间。

优选地，所述氟化物为SF₆，C₂F₆，NF₃，CF₄中的一种或多种。

相较而言，这几种氟化物来源广，原料成本低。另外，还可以同时通入适量氧气或氧的化合物(如N₂O)可以促使SF₆，C₂F₆，CF₄的分解，增加清洗效率。

优选地，进行所述在线自清洗时，氟化物和氧气的通入流量为：氟化物1000-2000SLM，氧气500-4000SLM。氟化物的通入量增加会增加清洗速度，但是过多的量会降低利用率。氧气的量是根据获得最佳清洗速度决定的，对于不同氟化物，所需的氧气是不同的。氧气可以用氧的化合物如N₂O取代。

在线清洗需要用等离子激发，等离子的产生可以用镀膜用的射频等离子源，也可以用离线的等离子源，激发后的气体通入腔体。射频等功率根据腔体的面积来决定的。对于一个1.5米长度的腔体，一个线性等离子源的射频功率在1000-10000W左右。在此基础上可以进一步优选射频功率为1400-1600W，以便能够兼顾生成量和速率，达到最佳性价比。

另外，与现有的在线自清洗方法相比，该方案主要优化了氟化物与氧气的配比，还优化了两种原料的通入流量，使其与化学反应的动力学特点相适应，使清洗在合理时间内完成，同时将原料浪费率降低至最低水平。

优选地，进行所述在线自清洗时，真空度为100Pa以下。

100Pa以下化学反应速度快，清洗效率高。

优选地，在所述步骤C之后还包括：将所述生成的尾气通入到碱性水溶液中。

在最后设置碱性水溶液来吸收尾气可以达到以下技术效果：SiF₄发生化学反应将其吸收，避免排入大气污染环境；碱性水溶液包括氢氧化钠，氧化钙，碳酸钠等。以碳酸钠溶液为例，上述反应的原理如下：

3SiF₄+2Na₂CO₃+2H₂O＝H₄SiO₄↓+2Na₂SiF₆↓+2CO₂。

另外，化学清洗时间可以用腔体压力的变化来决定，当抽速不变的情况下，随着反应膜的清除，生产的气体越来越少，腔体压力发生改变，然后达到一个恒定值，这就反映腔体已经清洗干净。另一种方法是跟踪某个发射光谱线的变化。每个气体在等离子体中都发射光，如果跟踪SiF₄气体的光谱线就能知道腔体是否清洗干净。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)多元清洗：物理方法和化学方法双重方式。

(2)清洗效率高。

(3)清洗成本低。

(4)清洗设备简单：只增加了常用的真空吸尘器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为现有技术中典型的PECVD镀膜流程。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

在多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，氮化硅镀膜用的工艺条件是：硅烷(SiH₄)，氨气(NH₃)，氮气和氢气等的混合气体在100Pa压力下，400℃的温度中，RF射频电源的作用下形成等离子体。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上SiN膜。当连续生产72小时后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔加热断电，回填大气、开腔、降温，待30分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，并加热。总共所需时间为1小时。

第二步，用自清工艺清洗来恢复腔体状态。自清工艺：400℃，通入2000SLM SF₆，1600SLM O₂，工艺压力30Pa，每个线性等离子源射频功率1500W，清洗时间2小时，经过清洗，镀在腔体的SiN膜全部被清洗掉了。

实施例2

用于PERC电池的氧化铝AlO和氮化硅SiN双层膜生产。工艺腔镀膜条件：在多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，部分离子源通TMA(Trimethylaluminum)和O₂或N₂O形成氧化铝AlO，其余部分通硅烷，氨气，N₂等形成SiN。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上AlO+SiN双层膜。当连续生产24小时后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔加热断电，回填大气，开腔、降温，待30分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，并加热。

第二步，用自清工艺清洗来恢复腔体状态，自清工艺：400℃，通入2000SLM SF₆，1600SLM O₂，工艺压力30Pa，射频功率1500W，清洗时间1小时，经过清洗，镀在腔体的SiN膜全部被清洗掉了。

实施例3

适用于本发明的另一个应用是镀非晶硅膜(a－Si)，用于HIT类太阳能电池片的制造。工艺腔镀膜条件：在一个或多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，通硅烷和氢气的混合气体，经RF激发形成等离子体，使硅烷分解并形成非晶硅膜。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上非晶硅膜。当连续生产48小时后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔断电，开腔、降温，待30分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，。

第二步，用自清工艺清洗来恢复腔体状态，自清工艺：300℃，通入2000SLM SF₆，1600SLM O₂，工艺压力30Pa，射频功率1500W，清洗时间3小时，经过清洗，镀在腔体的非晶硅膜全部被清洗掉了。

实施例4

用于PERC电池的AlO和SiN双层膜生产。工艺腔镀膜条件：在多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，部分离子源通TMA(Trimethylaluminum)和O₂或N₂O形成AlO，其余部分通硅烷，氨气，N₂等形成SiN。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上AlO+SiN双层膜。当连续生产24小时后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔断电，开腔、降温，待30分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，用自清工艺清洗来恢复腔体状态。

第二步，自清工艺：400℃，通入2000SLM SF₆，1600SLM O₂，工艺压力30Pa，射频功率1500W，清洗时间2小时，经过清洗，镀在腔体的SiN膜全部被清洗掉了。

实施例5

在多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，氮化硅镀膜用的工艺条件是：硅烷(SiH₄)，氨气(NH₃)，氮气和氢气等的混合气体在100Pa压力下，400℃的温度中，RF射频电源的作用下形成等离子体。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上SiN膜。当连续生产72小时后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔断电，开腔、降温，待30分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，用自清工艺清洗来恢复腔体状态。

第二步，自清工艺：400℃，通入2000SLM NF₃，1600SLM O₂，工艺压力30Pa，射频功率1500W，清洗时间4小时，经过清洗，镀在腔体的SiN膜全部被清洗掉了。

实施例6

在多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，氮化硅镀膜用的工艺条件是：硅烷(SiH₄)，氨气(NH₃)，氮气和氢气等的混合气体在100Pa压力下，400℃的温度中，RF射频电源的作用下形成等离子体。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上SiN膜。当连续生产10天后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔断电，开腔、降温，待30分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，用自清工艺清洗来恢复腔体状态。

第二步，自清工艺：400℃，通入2200SLM CF₄，1500SLM O₂，工艺压力30Pa，射频功率1600W，清洗时间1天，经过清洗，镀在腔体的SiN膜全部被清洗掉了。

实施例7

在多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，氮化硅镀膜用的工艺条件是：硅烷(SiH₄)，氨气(NH₃)，氮气和氢气等的混合气体在100Pa压力下，400℃的温度中，RF射频电源的作用下形成等离子体。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上SiN膜。当连续生产10天后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔断电，开腔、降温，待20分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，用自清工艺清洗来恢复腔体状态。

第二步，自清工艺：500℃，通入1800SLM C₂F₆，1700SLM O₂，工艺压力30Pa，射频功率1400W，清洗时间1天，经过清洗，镀在腔体的SiN膜全部被清洗掉了。

实施例8

在多个线性等离子源摒成的工艺腔体系里，氮化硅镀膜用的工艺条件是：硅烷(SiH₄)，氨气(NH₃)，氮气和氢气等的混合气体在100Pa压力下，400℃的温度中，RF射频电源的作用下形成等离子体。载有硅片的载板经过等离子体的工艺腔进行镀膜，载板不断进去、出来后就被镀上SiN膜。当连续生产12小时后，工艺腔体内和部件上也镀了膜，需要在膜自动脱落之前进行清洗，复原腔体。

清洗方法：

第一步，将出于工作状态的工艺腔断电，开腔、降温，待30分钟后用真空吸尘器清扫，恢复真空，用自清工艺清洗来恢复腔体状态。

第二步，自清工艺：400℃，通入2000SLM SF₆，1600SLM O₂，工艺压力30Pa，射频功率1500W，清洗时间1小时，在清洗的过程中，将生成的气体不断抽入到碳酸钠水溶液中。经过清洗，镀在腔体的SiN膜全部被清洗掉了。

上文只是对本发明的清洗方法进行了列举，无法穷举。在实际工作中，镀膜条件，镀膜时间，自清洗工艺的气体、流量、功率都可以根据腔体的设计和生产的需要进行调整。虽然本实施例是针对晶硅电池生产用硅和硅化物说明的，但本发明同样适用于其它使用硅和硅化物镀膜的生产领域，比如半导体芯片的制造工艺和液晶显示用TFT驱动器的制造工艺。也就是说本发明可用于任何真空镀膜硅，氮化硅、氧化硅等的工艺腔体清洗。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (7)

1.一种用于以氨气为工艺气体的PECVD镀氮化硅膜的真空腔体的清洗方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤A：切断正处于工作状态且待清洗的真空腔体的加热电源，回填大气，并立即打开所述真空腔体使其内部暴露于空气中，待所述真空腔体内壁不再有碎渣脱落；

步骤B：将脱落的所述碎渣用物理方法清除；

步骤C：在所述清除之后，利用氟化合物产生的氟自由基对所述腔体进行在线自清洗；

所述在线自清洗的方法为：

保持所述真空腔体内为真空，温度为200-500℃，再向所述真空腔体内通入氟化物气体和氧气，利用射频激发产生等离子体使所述氟化物气体活化，与腔体内残留的硅或硅化物发生反应，最后抽出所生成的气体；所述氟化物和所述氧气的通入流量为：氟化物1000-2000SLM，氧气500-4000SLM。

2.根据权利要求1所述的用于以氨气为工艺气体的PECVD镀氮化硅膜的真空腔体的清洗方法，其特征在于，步骤A中，打开所述真空腔体使其内部暴露于空气中至少30分钟。

3.根据权利要求1所述的用于以氨气为工艺气体的PECVD镀氮化硅膜的真空腔体的清洗方法，其特征在于，所述步骤B中清除的方法为：用真空吸尘器吸出。

4.根据权利要求1所述的用于以氨气为工艺气体的PECVD镀氮化硅膜的真空腔体的清洗方法，其特征在于，所述待清洗的真空腔体为累计连续镀膜使用1天以上的腔体。

5.根据权利要求1所述的用于以氨气为工艺气体的PECVD镀氮化硅膜的真空腔体的清洗方法，其特征在于，所述氟化物为SF₆，C₂F₆，NF₃，CF₄中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的用于以氨气为工艺气体的PECVD镀氮化硅膜的真空腔体的清洗方法，其特征在于，进行所述在线自清洗时，真空度为100Pa以下。

7.根据权利要求1所述的用于以氨气为工艺气体的PECVD镀氮化硅膜的真空腔体的清洗方法，其特征在于，进行所述在线自清洗时，等离子源的射频功率为1000-10000W。