CN117089825A - 一种流体分布均匀的镀覆腔室及镀覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料镀覆技术领域，尤其涉及一种流体分布均匀的镀覆腔室及镀覆方法，具体的，镀覆腔室内的进气口位于靠近炉口的输入区域中，抽气口位于靠近炉尾的输出区域中，所述输入区域和所述输出区域之间形成有扩散区域；输入的气体在所述输入区域内混合、逐步通过所述扩散区域后扩散至所述输出区域中。本发明将进气的区域和抽气的区域分别设置于炉口处和炉尾处，尽量拉开进气和出气位置之间的间距，给气体均匀扩散以最大的时间和空间，使其分布的均匀性有所提升，进而提升各个基材镀膜厚度的均匀性，减小色差。
Description
技术领域
本发明涉及材料镀覆技术领域，尤其涉及一种流体分布均匀的镀覆腔室及镀覆方法。
技术背景
PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) 是指等离子体增强化学的气相沉积法，其借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。这种方法有很多优点，比如颜色等级高，成膜质量好等。
采用PECVD在真空腔室中进行镀膜的硅片，经常出现前后位置的硅片色差较大的情况；当真空腔室的管径较小时，这种情况并不多见，然而，随着太阳能光伏行业对产能的要求越来越高，真空腔室的管径越做越大，出现这种色差片的几率极大提高；而出现色差片的根本原因，则在于镀覆腔室内的工艺气体密度不均匀，因此，提升大规格镀覆腔室内反应气体的分布均匀性是本领域技术人员所亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请发明人对现有技术中不同位置硅片镀覆产生色差的原因进行分析，进一步对镀覆腔室内的进气方式进行了改进设计，以期解决上述技术问题，本发明的发明目之一是提供一种流体分布均匀的镀覆腔室，之二是提供相应的覆方法。
具体的技术方案在下方分别予以说明：
一种流体分布均匀的镀覆腔室，所述镀覆腔室内：
进气口位于靠近炉口的输入区域中，抽气口位于靠近炉尾的输出区域中，所述输入区域和所述输出区域之间形成有扩散区域；
输入的气体在所述输入区域内混合、逐步通过所述扩散区域后扩散至所述输出区域中。
本发明将进气的区域和抽气的区域分别设置于炉口处和炉尾处，尽量拉开进气和出气位置之间的间距，给气体均匀扩散以最大的时间和空间，使其分布的均匀性有所提升，进而提升各个基材镀膜厚度的均匀性，减小色差。
优选的，所述进气口包含有主气体进气口和辅助气体进气口；
所述主气体进气口的数量为若干个，环绕分布的设置于所述镀覆腔室内靠近所述炉口的端部，且若干个所述主气体进气口指向共同的混合区域，以使得各个主气体进气口输入的气体在混合区域内碰撞并分散，提升混合和扩散效果。
优选的，所述镀覆腔室的炉口处设置有连接法兰，所述连接法兰内开设有主气体流道，主气体流道可以用铣刀在连接法兰上挖槽、再在槽上覆盖（譬如说焊接）封堵材料形成，也即，主气体流道可以是连接法兰内部的孔道；
所述主气体流道外接有主气体接口，用于通入相关气体；
所述连接法兰的筒状内壁上环绕的设置有若干个与所述主气体流道相连通的开口，所述主气体进气口对应的设置于所述开口处，也即，连接法兰的筒状内壁上间隔的设置有若干个主气体进气口，输入气体至混合区域。
优选的，采用单独一根环绕设置的不锈钢管在连接法兰内作为主气体流道，不锈钢管与连接法兰的内壁保持有间隙，不锈钢管环绕的内侧开设若干个孔作为主气体进气口，不锈钢管通过固接于连接法兰的挡片实现位置固定，该不锈钢管面对镀覆腔室内部的方向上设置有环状的热气阻挡部；
这样设置的好处在于：
1.不锈钢管相对于连接法兰而言具有独立性，维护时可以拆卸下来进行操作，更加便捷好操作；
2.不锈钢管没有直接与连接法兰相接触，而是间隔一个气体层，气体层作为一个导热性能相对较低的介质，阻碍了主气体流道内SiH4气体对热量的吸收，进而不易生成棕黄色粉末堵塞物，延长了维护周期；
3. 热气阻挡部阻挡了镀覆腔室内的热气直接流向不锈钢管的外壁上，能够阻碍热量传递，更何况，不锈钢管所在处为输入气体的混合区域，所输入的气体能够排除外在热气，配合热气阻挡部在不锈钢管所在区域形成一个温度相对较低的低温区，能够进一步减少棕黄色粉末堵塞物的生成，延长维护周期。
优选的，若干个所述主气体进气口的指向径向分布于所述输入区域的一个径向截面上。
优选的，若干个所述主气体进气口的开口位置朝向所述镀覆腔室中部做适配性的移动，譬如说，以主气体进气口一侧的相同部位为标记，移动的距离控制在1mm；
发明人致力于进一步优化维护周期，将主气体进气口的开口位置朝向镀覆腔室中部做了微小调整，使得温度相对较低的进气加强了向镀覆腔室中部流动的比重，在沿所述热气阻挡部边缘的方向上加强了进气气流，更好的阻挡了热气向不锈钢管所在的低温区域传热，因此能够获得更进一步的隔热效果，粉末堵塞物更不容易生成，维护周期进一步延长。
优选的，所述辅助气体进气口从所述炉口处通过辅助气体流道深入所述输入区域中，所述辅助气体流道外接有辅助气体接口。
优选的，所述辅助气体进气口的数量为2个，对应于不同的输入气体，分别通过2个辅助气体流道深入所述输入区域中。
优选的，所述辅助气体进气口指向所述炉口所在处，从而使得这部分气体的输出方向与抽气口的抽气方向大致相反，延长了气体的扩散路径和时间，并且也将这部分气体输入至主气体进气口输出气体的混合区域，通过冲击参与混合，以加强气体混合的均匀性。
优选的，所述主气体进气口的内径为φ1.5mm-φ4mm，口径太小，则十分容易被堵塞，口径太大，则吹起的均匀性难以保证。
优选的，所述镀覆腔室的外壁上设置有水冷接口，所述水冷接口与所述镀覆腔室外壁内的水冷腔室相连通，通过水冷的方式作为控制镀覆环境温度的手段。
一种流体分布均匀的镀覆方法，采用上述任一技术方案所述的镀覆腔室进行镀覆，包括如下步骤：
S1：升温：镀覆腔室内升温至540±20℃，压力为11000±500torr，通过辅助气体进气口通入氮气3000±100ml；
S2：恒温：恒温持续620±20s；
S3：抽真空：抽真空至镀覆腔室内的压力为1800±100torr；
S4：预通气：通过主气体进气口预通入SiH4气体1356±50ml，通过辅助气体进气口预通入NH3气体8136±100ml，压力维持在1800±100torr；
S5：沉积：通过主气体进气口通入SiH4气体1356±50ml，通过辅助气体进气口通入NH3气体8136±100ml，压力维持在1800±100torr，进行第一次电源放电；
通过主气体进气口通入SiH4气体732±50ml，通过辅助气体进气口通入NH3气体7360±100ml，压力维持在1650±100torr，进行第二次电源放电；
S6：抽真空：将镀覆腔室内抽真空至10torr；
S7：氮气吹扫：通过辅助气体进气口通入氮气吹扫至镀覆腔室内的压力为11000±500torr，镀覆完成。
上述镀覆方法中所述的压力均为绝对压力。
综上所述，本发明所述的技术方案具有以下主要的有益效果：
和现有技术相比，本发明将进气的区域和抽气的区域分别设置于炉口处和炉尾处，尽量拉开进气和出气位置之间的间距，给气体均匀扩散以最大的时间和空间，使其分布的均匀性有所提升，进而提升各个基材镀膜厚度的均匀性，减小色差。
同时，若干个主气体进气口周向分布，指向共同的混合区域，以使得各个主气体进气口输入的气体在混合区域内碰撞并分散，提升混合和扩散效果。
并且，辅助气体进气口指向炉口所在处，从而使得这部分气体的输出方向与抽气口的抽气方向大致相反，延长了气体的扩散路径和时间，并且也将这部分气体通过与抽气方向相反的方向参与其他气体的混合，进一步加强了气体混合的均匀性。
进一步地或者更细节的有益效果将在具体实施方式中结合具体实施例进行说明。
附图说明
图1为镀覆腔室的轴向结构简图。
图2为实施例1所述的连接法兰正视结构示意图；
图3为实施例1所述的连接法兰的立体结构示意图；
图4为实施例2所述的连接法兰正视结构示意图；
图5为实施例2所述的连接法兰的立体结构示意图；
图中，图2和图3中的箭头用于指示气体的大致流动方向；
0-镀覆腔室；
01-炉口、01-1-连接法兰、01-1.1-热气阻挡部、02-炉尾、03-进气口、03-1-主气体进气口、03-2-辅助气体进气口、04-抽气口、05-主气体流道、06-主气体接口、07-辅助气体流道、08-辅助气体接口、09-水冷接口；
a-输入区域、b-输出区域、c-扩散区域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的解释：
本申请实施例的技术方案所面临的核心技术问题来源于发明人对现有技术中技术问题的深入认识。
因此，在对技术问题深入认识的基础上，如何提升基材覆膜的均匀性、减少色差是发明人亟需解决的技术问题。
需要说明的是，实施例并不构成对本发明权利要求保护范围的限制，根据实施例所提供/证明的技术构思，所属技术领域技术人员能够合理预期的技术方案均应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。
实施例1~3中均采用处理量-体积较大的镀覆腔室，其内部空间为圆柱体状，圆柱体的内直径为570mm，长度为3728mm。
实施例1：
参考说明书附图1-图3：
流体分布均匀的镀覆腔室0，该镀覆腔室0按照从炉口01到炉尾02的顺序依次为炉口01、输入区域a、扩散区域c、输出区域b以及炉尾02。
其中，炉口01处设置有连接法兰01-1，连接法兰01-1内用铣刀挖设有通气槽，通气槽用不锈钢材料覆盖焊接后形成截面形状为原型的主气体流道05，其内径为6.35mm，主气体流道05在镀覆腔室0的外部外接有主气体接口06。
输入区域a中设置有进气口03，进气口03则包含有主气体进气口03-1和辅助气体进气口03-2；
主气体进气口03-1主要用于通入硅烷-SiH4气体，其数量为7个，孔径为φ 2mm，环绕分布的设置于连接法兰01-1的筒状内壁的开口上，且与主气体流道05相连通，7个主气体进气口03-1的指向径向分布于输入区域a的一个径向截面上，且指向共同的混合区域；
辅助气体进气口03-2从炉口01处通过管路形成的辅助气体流道07深入输入区域a中，辅助气体流道07位于镀覆腔室0外的部分设置有辅助气体接口08，辅助气体进气口03-2的数量为2个，分别对应于输入NH3和N2，并且，辅助气体进气口03-2指向炉口01所在的方向。
输入的气体在输入区域a内混合、逐步通过扩散区域c扩散至输出区域b中。
炉尾02处设置有抽气口04。
镀覆腔室0的外壁上还设置有水冷接口09，水冷接口09与镀覆腔室0外壁内的水冷腔室相连通，用于调控温度。
该镀覆腔室的镀覆方法包括如下步骤：
镀覆方法中所述的压力均为绝对压力；
首先将待杜甫的基材放置入镀覆腔室内；
S1：升温：镀覆腔室0内升温至540℃，通过辅助气体进气口03-2通入氮气3000ml，调整压力为11000torr，；
S2：恒温：恒温持续620s；
S3：抽真空：通过抽气口04抽真空至镀覆腔室0内的压力为1800torr；
S4：预通气：通过主气体接口06-主气体进气口03-1预通入SiH4气体1356ml，通过辅助气体接口08-辅助气体进气口03-2预通入NH3气体8136ml，压力维持在1800torr；
S5：沉积：通过主气体进气口03-1通入SiH4气体1356ml，通过辅助气体进气口03-2通入NH3气体8136ml，压力维持在1800torr，进行第一次电源放电，第一次放电先后以功率为18.6kw、12.5kw进行放电；
通过主气体进气口03-1通入SiH4气体732ml，通过辅助气体进气口03-2通入NH3气体7360ml，压力维持在1650torr，进行第二次电源放电，第二次放电先后以功率为16.8kw、13.8kw进行放电；
S6：抽真空：通过抽气口04将镀覆腔室0内抽真空至10torr；
S7：氮气吹扫：通过辅助气体进气口03-2通入氮气吹扫至镀覆腔室0内的压力为11000，镀覆完成。
本实施例中，将进气的区域和抽气的区域分别设置于炉口01处和炉尾02处，尽量拉开进气和出气位置之间的间距，给气体均匀扩散以最大的时间和空间，使其分布的均匀性有所提升，进而提升各个基材镀膜厚度的均匀性，减小色差；
同时，若干个主气体进气口03-1周向分布，指向共同的混合区域，以使得各个主气体进气口03-1输入的气体在混合区域内碰撞并分散，提升混合和扩散效果；
进一步的，辅助气体进气口03-2指向炉口所在处，从而使得这部分气体的输出方向与抽气口04的抽气方向大致相反，延长了气体的扩散路径和时间，并且也将这部分气体通过与抽气方向相反的方向参与其他气体的混合，进一步加强了气体混合的均匀性。
实施例2：
实施例1中，主气体流道05由连接法兰01-1的内部材料和覆盖焊接的外部材料构成，然而，SiH4在主气体流道05中易受热分解，生成亚甲硅烷基的团聚物，形成一种棕黄色粉末，其反应式为：；
该黄色粉末易堵塞主气体流道05，维护时需要将整块连接法兰01-1拆下并进行疏通，操作较为麻烦和频繁。
鉴于此，参考图4和图5，本实施例与实施例1的不同之处在于：采用单独一根环绕设置的1/4英寸不锈钢管在连接法兰01-1内作为主气体流道05，其内径同样为6.35mm，而不再是由连接法兰01-1自身形成主气体流道05，不锈钢管与连接法兰01-1的内壁保持有间隙；
该不锈钢管同样的外接有主气体接口06，不锈钢管环绕的内侧开7个孔作为主气体进气口03-1；
该不锈钢管通过固接于连接法兰01-1的挡片即可实现位置固定；
同时，该不锈钢管作为主气体流道05，其面对镀覆腔室0内部的方向上设置有环状的热气阻挡部01-1.1。
镀覆方法同实施例1。
这样设置的好处在于：
1.不锈钢管相对于连接法兰01-1而言具有独立性，维护时可以拆卸下来进行操作，更加便捷好操作；
2.不锈钢管没有直接与连接法兰01-1相接触，而是间隔一个气体层，气体层作为一个导热性能相对较低的介质，阻碍了主气体流道05内SiH4气体对热量的吸收，进而不易生成棕黄色粉末堵塞物，延长了维护周期；
3. 热气阻挡部01-1.1阻挡了镀覆腔室0内的热气直接流向不锈钢管的外壁上，能够阻碍热量传递，更何况，不锈钢管所在处为输入气体的混合区域，所输入的气体能够排除外在热气，配合热气阻挡部01-1.1在不锈钢管所在区域形成一个温度相对较低的低温区，能够进一步减少棕黄色粉末堵塞物的生成，延长维护周期。
实施例3：
本实施例与实施例2的不同之处在于：若干个主气体进气口03-1的开口位置朝向镀覆腔室0中部做了微小的移动，以主气体进气口一侧的边缘处为标记，移动的距离为1mm；使维护周期获得了进一步的延长。
发明人分析其原因可能是：将主气体进气口03-1的开口位置朝向镀覆腔室0中部做了微小调整，使得温度相对较低的进气加强了向镀覆腔室0中部流动的比重，在沿所述热气阻挡部01-1.1边缘的方向上适当加重了进气气流的比例，更好的阻挡了热气向不锈钢管所在的低温区域传热，因此能够获得更进一步的隔热效果，粉末堵塞物更不容易生成，维护周期进一步延长。
作为对比，实施例1~3的镀覆均匀性参数如下：
经实施例1镀覆腔室和方法镀覆后，覆膜膜厚的均匀性为：
片内均匀性≤±4%，片间均匀性≤±4%，批间均匀性≤±4%；
经实施例2和实施例3镀覆腔室和方法镀覆后，覆膜膜厚的均匀性为：
片内均匀性≤±4%，片间均匀性≤±4%，批间均匀性≤±4%；
可见实施例1-3均具有良好的镀膜均匀性。
膜厚均匀性的测试方法同GB/T 40279-2021硅片表面薄膜厚度的测试光学反射法中提到的测试方法。
由主气体流道05堵塞导致的维护周期为：
实施例1：5~7天需要拆卸维护疏通一次；
实施例2：12~15天需要拆卸维护疏通一次；
实施例3：16~17天需要拆卸维护疏通一次；
可见，相对于实施例1，实施例2所需要的维护周期明显延长，节约了维护成本，而实施例3相较于实施例2而言，其维护周期又得到了进一步的延长。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“基础实施例”、“优选实施例”、“其他实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种流体分布均匀的镀覆腔室，其特征在于：
所述镀覆腔室（0）内：
进气口（03）位于靠近炉口（01）的输入区域（a）中，抽气口（04）位于靠近炉尾（02）的输出区域（b）中，所述输入区域（a）和所述输出区域（b）之间形成有扩散区域（c）；
输入的气体在所述输入区域（a）内混合、逐步通过所述扩散区域（c）后扩散至所述输出区域（b）中。
2.根据权利要求1所述的镀覆腔室，其特征在于：所述进气口（03）包含有主气体进气口（03-1）和辅助气体进气口（03-2）；
所述主气体进气口（03-1）的数量为若干个，环绕分布的设置于所述镀覆腔室（0）内靠近所述炉口（01）的端部，且若干个所述主气体进气口（03-1）指向共同的混合区域。
3.根据权利要求2所述的镀覆腔室，其特征在于：所述镀覆腔室（0）的炉口（01）处设置有连接法兰（01-1），所述连接法兰（01-1）内开设有主气体流道（05），所述主气体流道（05）外接有主气体接口（06）；
所述连接法兰（01-1）的筒状内壁上环绕的设置有若干个与所述主气体流道（05）相连通的开口，所述主气体进气口（03-1）对应的设置于所述开口处。
4.根据权利要求2或3所述的镀覆腔室，其特征在于：若干个所述主气体进气口（03-1）的指向径向分布于所述输入区域（a）的一个径向截面上。
5.根据权利要求2所述的镀覆腔室，其特征在于：所述辅助气体进气口（03-2）从所述炉口（01）处通过辅助气体流道（07）深入所述输入区域（a）中，所述辅助气体流道（07）外接有辅助气体接口（08）。
6.根据权利要求5所述的镀覆腔室，其特征在于：所述辅助气体进气口（03-2）的数量为2个，对应于不同的输入气体，分别通过2个辅助气体流道（07）深入所述输入区域（a）中。
7.根据权利要求5或6所述的镀覆腔室，其特征在于：所述辅助气体进气口（03-2）指向所述炉口（01）所在处。
8.根据权利要求1所述的镀覆腔室，其特征在于：所述镀覆腔室（0）的外壁上设置有水冷接口（09），所述水冷接口（09）与所述镀覆腔室（0）外壁内的水冷腔室相连通。
9.一种流体分布均匀的镀覆方法，采用如权利要求1-8中任一条所述的镀覆腔室进行镀覆，其特征在于：
该镀覆方法包括如下步骤：
S1：升温：镀覆腔室（0）内升温至540±20℃，压力为11000±500torr，通过辅助气体进气口（03-2）通入氮气3000±100ml；
S2：恒温：恒温持续620±20s；
S3：抽真空：通过抽气口（04）抽真空至镀覆腔室（0）内的压力为1800±100torr；
S4：预通气：通过主气体进气口（03-1）预通入SIH4气体1356±50ml，通过辅助气体进气口（03-2）预通入NH3气体8136±100ml，压力维持在1800±100torr；
S5：沉积：通过主气体进气口（03-1）通入SIH4气体1356±50ml，通过辅助气体进气口（03-2）通入NH3气体8136±100ml，压力维持在1800±100torr，进行第一次电源放电；
通过主气体进气口（03-1）通入SIH4气体732±50ml，通过辅助气体进气口（03-2）通入NH3气体7360±100ml，压力维持在1650±100torr，进行第二次电源放电；
S6：抽真空：通过抽气口（04）将镀覆腔室（0）内抽真空至10torr；
S7：氮气吹扫：通过辅助气体进气口（03-2）通入氮气吹扫至镀覆腔室（0）内的压力为11000±500torr，镀覆完成。
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