CN111172518B - 一种基于硅烷的一体式镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅烷的一体式镀膜方法，该发明为PECVD工艺并使用SiH4和O2气体分开进气的方式在硅片表面生长SiO2和反应式PVD生长不同掺杂浓度非晶硅的一体式镀膜方案，通过将现有的3个独立制造工序合并成一个一体式的工序，实现制造环节高度整合，减少生产工序，并能最大限度延长SiO2镀膜设备和载板的维护周期以提高在线生成利用率，还可以避免使用难以制作的高浓度掺磷硅靶材并获得不同浓度的非晶硅膜层，从而有效降低TOPCon电池的生产成本。

Description

一种基于硅烷的一体式镀膜方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种基于硅烷的一体式镀膜方法，其用于TOPCon电池的氧化硅和掺杂非晶硅的一体式镀膜。
背景技术
近年来TOPCon电池技术量产应用非常迅速，其技术的核心是制取极薄的SiO2薄层和制备掺杂的多晶硅层，目前的行业现状是先制取SiO2再制取非晶硅膜层，然后通过离子注入方式实现非晶硅层掺杂，工艺过程如下：
1、SiO2制备通常采用管式设备通过热氧化方式实现，加热到570℃左右高温，需要30～60min左右才能生长2nm左右厚度的SiO2薄膜；
2、非晶硅层制备：采用管式LPCVD设备通过镀膜实现，加热到600℃左右高温，需要60min左右才能生长130nm左右厚度的非晶硅；
3、掺杂：使用离子注入设备实现非晶硅掺杂层的制备；
4、退火：掺杂后的非晶硅层通过870℃左右高温退火成为掺杂多晶硅，并激活掺杂的磷原子。
有上述可知，现有制备工艺需要3台设备分3道工序依次进行，最后通过退火形成掺杂的多晶硅层，从而导致工艺流程较为复杂，具有设备投入成本高、载具周转复杂且维护周期短等不足。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硅烷的一体式镀膜方法，包括如下步骤：
(1)首先提供一体式连续镀膜设备，其包括依次一体设置的装载腔、加热腔、PECVD工艺腔、PVD工艺腔及卸载腔，在PECVD工艺腔和PVD工艺腔之间设置有真空的隔离腔；
(2)在步骤(1)所述的一体式连续镀膜设备中，经过清洗的硅片放置在载板上，载板经过装载腔内装载后进入加热腔，在加热腔内进行硅片和载板加热；
(3)步骤(2)中经过加热的硅片进入PECVD工艺腔进行SiO2薄膜制备，工艺气体为SiH4和O2；
(4)步骤(3)中经过SiO2镀膜的硅片经过隔离腔后进入到PVD工艺腔进行掺杂非晶硅层制备；
(5)步骤(4)中掺杂工艺完成后的硅片经卸载腔将硅片卸到其它载具上，然后经过下道退火工序后形成掺杂的非晶硅膜层。
本发明提供的一种基于硅烷的一体式镀膜方法，还包括如下附属技术方案：
其中，步骤(2)中，硅片和载板在加热腔内采用多个红外灯管共同加热，或者使用加热板加热，或者采用红外加热和加热板同时加热；加热温度为100～500℃。
其中，步骤(3)中，在PECVD工艺腔内进行SiO2薄膜制备时，离子源从上方分开进气的方式通入SiH4和O2并在RF激发下生成活性氧原子和硅原子，从而在硅片表面反应生产SiO2薄膜，然后进入下一步的PVD工艺腔；其中，反应过程中，压强为1～10Pa，沉积温度为200～350℃，功率为10～200W。
其中，步骤(4)中，在PVD工艺腔内进行掺杂非晶硅层制备时，使用Ar和磷烷的混合气体在磁场中经等离子激发产生氩离子并溅射硅靶材，从而制作掺磷非晶硅薄膜；其中，反应过程中，功率为10000～20000W，压力为0.1～2Pa，温度为200～700℃，反应时间1～10min。
其中，步骤(4)中，所述靶材为旋转式纯硅柱靶材或掺磷硅靶材。
其中，步骤(4)中，所述PVD工艺腔包括多个连续的腔体，多个腔体内的靶材均为旋转式纯硅柱靶材或具有相同或不同浓度的掺磷硅靶材，且多个腔体内的Ar和磷烷具有相同或不同的流量比，从而制作不同掺杂浓度的非晶硅薄膜；其中，基于多个腔体内使用旋转式纯硅柱靶材或相同浓度的掺磷硅靶材且Ar和磷烷具有相同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得相同掺杂浓度的多层膜层；或者，基于多个腔体内使用旋转式纯硅柱靶材或相同浓度的掺磷硅靶材且Ar和磷烷具有不同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层尤其是梯度膜层；或者，基于多个腔体内使用旋转式纯硅柱靶材或不同浓度的掺磷硅靶材且Ar和磷烷具有相同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层尤其是梯度膜层。
进一步的，步骤(4)中，所述PVD工艺腔的多个连续的腔体之间均通过真空的隔离腔进行隔离以防止反应气氛交叉污染而影响不同腔体内的不同镀膜效果。
进一步的，步骤(1)中，所述PVD工艺腔与卸载腔之间还设置有真空的隔离腔，通过隔离腔将PVD工艺腔与卸载腔隔离以防止卸载腔的残余气体进入PVD工艺腔。
通过上述技术方案，本发明的结构特点为板式inline结构设备，PECVD工艺为线性离子源使用RF激发等离子体放电，PVD工艺为不同掺杂(或不掺杂)靶材组合用于制备不同浓度的掺杂层或者梯度掺杂层；其中，PECVD工艺制备SiO2膜层的工艺原理：硅片经过装载腔进入到加热腔进行硅片和载板加热，然后进入SiO2工艺腔，离子源从上方分开进气的方式分别通入SiH4和O2并在RF激发下生成活性氧原子和硅原子，从而在硅片表面反应生产SiO2膜层，并通过隔离腔隔离后续的工艺腔以防止反应气氛交叉污染，随后进入下一步的PVD工艺腔；PVD工艺制备多层相同或不同掺杂浓度非晶硅的工艺原理：载板进入到PVD工艺腔后，使用Ar和磷烷的掺杂工艺气体轰击溅射靶材，制作不同掺杂浓度非晶硅薄膜，掺杂浓度取决于掺磷硅靶材的磷掺杂浓度(或旋转式纯硅柱靶材)和Ar与磷烷的流量比，这种多个不同掺杂腔室连续溅射镀膜的方式方便制作相同掺杂浓度的膜层或者不同掺杂浓度的多种复合膜层尤其是梯度膜层，工艺完成后从卸载腔卸载到其他载具出腔体，经过下道退火工序后形成磷掺杂的非晶硅膜层。因此，基于上述结构及工艺特征，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明为PECVD生长SiO2和反应式PVD生长不同掺杂浓度非晶硅的一体式镀膜方案，且PECVD生长SiO2采用射频电源激发，线性离子源分别出SiH4和O2的方式实现，通过将现有的3个独立制造工序合并成一个一体式的工序，实现制造环节高度整合，减少生产工序，并能最大限度延长SiO2镀膜设备和载板的维护周期以提高在线生成利用率，还可以避免使用难以制作的掺磷硅靶材，从而有效降低TOPCon电池的生产成本；
(2)PVD工艺的靶材使用旋转式纯硅柱靶材或掺磷硅靶材，并配合PVD工艺气体使用Ar和磷烷的混合气体，磷烷由Ar携带进入腔体实现掺杂，因此避免了使用难以制作的高浓度掺磷硅靶材(甚至可以直接使用旋转式纯硅柱靶材)，从而降低了TOPCon电池的生产成本；
(3)PVD工艺的靶材还可以由多个靶材组合而成，镀膜过程可以分成多个独立单元腔室，单元腔室之间根据需要可以增加隔离腔以避免反应气氛相互污染，从而满足了不同多晶硅膜层的制备需求。
附图说明
图1为实施例所公开的基于纯硅靶的一体式连续镀膜设备示意图(多个PVD工艺腔之间无隔离腔)；
图2为实施例所公开的基于纯硅靶的一体式连续镀膜设备示意图(多个PVD工艺腔之间有隔离腔)；
图3为实施例所公开的基于掺磷靶的一体式连续镀膜设备示意图(多个PVD工艺腔之间无隔离腔)；
图4为实施例所公开的基于掺磷靶的一体式连续镀膜设备示意图(多个PVD工艺腔之间有隔离腔)。
具体实施方式
实施例1：
参考图1，本发明提供的基于硅烷的一体式镀膜方法，包括如下步骤：
(1)首先提供一体式连续镀膜设备，其包括依次一体设置的装载腔、加热腔、PECVD工艺腔、PVD工艺腔及卸载腔；PECVD工艺腔与PVD工艺腔之间还设置有隔离腔，通过隔离腔将PECVD镀膜工艺与PVD镀膜工艺隔离以防止反应气氛交叉污染；PVD工艺腔与卸载腔之间还设置有隔离腔，通过隔离腔将PVD镀膜工艺与卸载腔隔离以防止反应气氛污染卸载腔；
(2)在步骤(1)的一体式连续镀膜设备中，经过清洗的硅片在装载腔内装载后进入加热腔，在加热腔内进行硅片和载板加热；其中，硅片和载板在加热腔内采用多个红外灯管共同加热，或者使用加热板加热，或者采用红外加热和加热板同时加热；加热温度为300～500℃；
(3)步骤(2)中经过加热的硅片进入PECVD工艺腔进行SiO2薄膜制备，工艺气体为SiH4和O2；在PECVD工艺腔内进行SiO2薄膜制备时，通过使用SiH4和O2分开进气的方式在硅片表面快速生长2nm左右的SiO2薄膜，然后进入下一步的PVD工艺腔；其中，反应过程中，压强为1～10Pa，沉积温度为200～350℃，功率为10～200W；
(4)步骤(3)中经过SiO2镀膜的硅片进入到PVD工艺腔进行掺杂poly层制备；其中，在PVD工艺腔内进行掺杂poly层制备时，靶材为纯硅靶材，使用Ar和磷烷的掺杂工艺气体轰击溅射靶材，从而制作掺杂非晶硅层薄膜；其中，反应过程中，功率为10000～20000W，压力为0.1～2Pa，温度为200～700℃，反应时间1～10min；
(5)步骤(4)中镀膜工艺完成后的硅片经冷却腔降温，从卸载腔出腔体，经过下道工序退火后形成掺杂的多晶硅膜层；其中，冷却介质为水或者空气，或者水与空气共同使用；冷却温度为10～100℃。
实施例2：
基于上述实施例1并参考图2，其中，步骤(3)中，PVD工艺腔包括多个连续的腔体，多个腔体内的靶材均为纯硅靶材，且多个腔体内的Ar和磷烷具有相同或不同的掺杂比，从而制作不同掺杂浓度的非晶硅层薄膜；其中，基于多个腔体内使用纯硅靶材且Ar和磷烷具有相同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得相同掺杂浓度的多层膜层；或者，基于多个腔体内使用纯硅靶材且Ar和磷烷具有不同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层尤其是梯度膜层。其中，步骤(3)中，PVD工艺腔的多个连续的腔体之间均通过隔离腔进行隔离以防止反应气氛交叉污染而影响不同腔体内的不同镀膜效果。
实施例3：
参考图3，本发明提供的基于硅烷的一体式镀膜方法，包括如下步骤：
(1)首先提供一体式连续镀膜设备，其包括依次一体设置的装载腔、加热腔、PECVD工艺腔、PVD工艺腔及卸载腔；PECVD工艺腔与PVD工艺腔之间还设置有隔离腔，通过隔离腔将PECVD镀膜工艺与PVD镀膜工艺隔离以防止反应气氛交叉污染；PVD工艺腔与卸载腔之间还设置有隔离腔，通过隔离腔将PVD镀膜工艺与卸载腔隔离以防止反应气氛污染卸载腔；
(2)在步骤(1)的一体式连续镀膜设备中，经过清洗的硅片在装载腔内装载后进入加热腔，在加热腔内进行硅片和载板加热；其中，硅片和载板在加热腔内采用多个红外灯管共同加热，或者使用加热板加热，或者采用红外加热和加热板同时加热；加热温度为300～500℃；
(3)步骤(2)中经过加热的硅片进入PECVD工艺腔进行SiO2薄膜制备，工艺气体为SiH4和O2；在PECVD工艺腔内进行SiO2薄膜制备时，通过使用SiH4和O2分开进气的方式在硅片表面快速生长2nm左右的SiO2薄膜，然后进入下一步的PVD工艺腔；其中，反应过程中，压强为1～10Pa，沉积温度为200～350℃，功率为10～200W；
(4)步骤(3)中经过SiO2镀膜的硅片进入到PVD工艺腔进行掺杂poly层制备；其中，在PVD工艺腔内进行掺杂poly层制备时，靶材为磷掺杂靶材，使用Ar和磷烷的掺杂工艺气体轰击溅射靶材，从而制作掺杂非晶硅层薄膜；其中，反应过程中，功率为10000～20000W，压力为0.1～2Pa，温度为200～700℃，反应时间1～10min；
(5)步骤(4)中镀膜工艺完成后的硅片经冷却腔降温，从卸载腔出腔体，经过下道工序退火后形成掺杂的多晶硅膜层；其中，冷却介质为水或者空气，或者水与空气共同使用；冷却温度为10～100℃。
实施例4：
基于上述实施例3并参考图4，其中，步骤(3)中，PVD工艺腔包括多个连续的腔体，多个腔体内的靶材均为磷掺杂靶材，且多个腔体内的Ar和磷烷具有相同或不同的掺杂比，从而制作不同掺杂浓度的非晶硅层薄膜；其中，基于多个腔体内使用相同浓度的磷掺杂靶材且Ar和磷烷具有相同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得相同掺杂浓度的多层膜层；或者，基于多个腔体内使用相同浓度的磷掺杂靶材且Ar和磷烷具有不同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层尤其是梯度膜层；或者，基于多个腔体内使用不同浓度的磷掺杂靶材且Ar和磷烷具有相同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层尤其是梯度膜层；或者，基于多个腔体内使用不同浓度的磷掺杂靶材且Ar和磷烷具有不同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层尤其是梯度膜层。其中，步骤(3)中，PVD工艺腔的多个连续的腔体之间均通过隔离腔进行隔离以防止反应气氛交叉污染而影响不同腔体内的不同镀膜效果。
本发明的PECVD工艺为线性离子源使用RF激发等离子体放电，PVD工艺为不同掺杂(或不掺杂)靶材组合用于制备不同浓度的掺杂层或者梯度掺杂层；其中，PECVD工艺制备SiO2膜层的工艺原理：硅片经过装载腔进入到加热腔进行硅片和载板加热，然后进入SiO2工艺腔，离子源从上方分别通SiH4和O2气体并在RF激发下生成活性硅原子和氧原子并在硅片表面反应生产SiO2膜层，通过隔离腔隔离后续的工艺腔以防止反应气氛交叉污染，随后进入下一步的PVD工艺腔；PVD工艺制备多层相同或不同掺杂浓度多晶硅的工艺原理：载板进入到PVD工艺腔后，使用Ar和磷烷的掺杂工艺气体轰击溅射靶材，制作不同掺杂浓度非晶硅层薄膜，掺杂浓度取决于靶材掺杂浓度(或无掺杂靶材)和磷烷掺杂浓度，这种多个不同掺杂腔室连续溅射镀膜的方式方便制作相同掺杂浓度的膜层或者不同掺杂浓度的多种复合膜层尤其是梯度膜层，工艺完成后经冷却腔降温，从卸载腔出腔体，经过下道工序退火后形成掺杂的多晶硅膜层。
因此，基于上述结构及工艺特征，本发明为PECVD生长SiO2和PVD生长不同掺杂浓度多晶硅的一体式镀膜方案，通过将现有的3个独立工序合并成一个一体式的工序，实现制造环节高度整合，减少生产工序，并能最大限度降低SiO2镀膜设备和载板的维护周期以提高在线率，还可以避免使用难以制作的掺杂磷硅靶材，从而有效降低TOPCon电池的生产成本；PVD工艺的靶材使用纯硅靶或者磷掺杂靶，并配合PVD工艺气体使用Ar和磷烷的混合气体，磷烷由Ar携带进入腔体实现掺杂，因此避免了使用难以制作的掺杂磷硅靶材(甚至可以直接使用无掺杂靶材)，从而降低了TOPCon电池的生产成本；PVD工艺的靶材还可以由多个靶材组合而成，镀膜过程可以分成多个独立单元腔室，单元腔室之间根据需要可以增加隔离腔以避免反应气氛相互污染，从而满足了不同多晶硅膜层的制备需求。
实施例5：
基于上述实施例1～4任一实施例的工艺流程，还可以用来制作其他元素的掺杂，比如掺硼多晶硅、掺硼非晶硅、硼扩散等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于硅烷的一体式镀膜方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先提供一体式连续镀膜设备，其包括依次一体设置的装载腔、加热腔、PECVD工艺腔、PVD工艺腔及卸载腔，在PECVD工艺腔和PVD工艺腔之间设置有真空的隔离腔；所述PVD工艺腔与卸载腔之间还设置有真空的隔离腔，通过隔离腔将PVD工艺腔与卸载腔隔离以防止卸载腔的残余气体进入PVD工艺腔；
(2)在步骤(1)所述的一体式连续镀膜设备中，经过清洗的硅片放置在载板上，载板经过装载腔内装载后进入加热腔，在加热腔内进行硅片和载板加热；
(3)步骤(2)中经过加热的硅片进入PECVD工艺腔进行SiO2薄膜制备，工艺气体为SiH4和O2；在PECVD工艺腔内进行SiO2薄膜制备时，通过使用SiH4和O2分开的进气方式在硅片表面快速生长SiO2薄膜，然后进入下一步的PVD工艺腔；其中，反应过程中，压强为1～10Pa，沉积温度为200～350℃，功率为10～200W；
(4)步骤(3)中经过SiO2镀膜的硅片经过隔离腔后进入到PVD工艺腔进行掺杂非晶硅层镀膜；在PVD工艺腔内进行掺杂非晶硅层制备时，使用Ar和磷烷的混合气体在磁场中经等离子激发产生氩离子并溅射硅靶材，从而制作掺磷非晶硅薄膜；其中，反应过程中，功率为10000～20000W，压力为0.1～2Pa，温度为200～700℃，反应时间1～10min；所述PVD工艺腔包括多个连续的腔体，多个腔体内的靶材均为旋转式纯硅柱靶材或具有相同或不同浓度的掺磷硅靶材，且多个腔体内的Ar和磷烷具有相同或不同的流量比，从而制作不同掺杂浓度的非晶硅薄膜；所述PVD工艺腔的多个连续的腔体之间均通过真空的隔离腔进行隔离以防止反应气氛交叉污染而影响不同腔体内的不同镀膜效果；
(5)步骤(4)中掺杂工艺完成后的硅片经卸载腔将硅片卸到其它载具上，然后经过下道退火工序后形成掺杂的多晶硅膜层。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅烷的一体式镀膜方法，其特征在于，步骤(2)中，硅片和载板在加热腔内采用多个红外灯管共同加热，或者使用加热板加热，或者采用红外加热和加热板同时加热；加热温度为100～500℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅烷的一体式镀膜方法，其特征在于，步骤(4)中，基于多个腔体内使用旋转式纯硅柱靶材或相同浓度的掺磷硅靶材且Ar和磷烷具有相同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得相同掺杂浓度的多层膜层；或者，基于多个腔体内使用旋转式纯硅柱靶材或相同浓度的掺磷硅靶材且Ar和磷烷具有不同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层；或者，基于多个腔体内使用旋转式纯硅柱靶材或不同浓度的掺磷硅靶材且Ar和磷烷具有相同掺杂比时，通过连续溅射镀膜的方式获得不同掺杂浓度的复合膜层。
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