PECVD反应腔内置辅助加热对氮化硅膜沉积的影响

李晔纯 张弥涛 李明 郭艳

【摘  要】典型加热方式的反应腔已逐漸难以满足硅片尺寸增大、装片量要求增多情况下的生产需要，论文提出在反应腔中内置辅助加热装置，并进行对比实验分析其对工艺的影响。实验结果显示，辅助加热装置在缩短升温时间、提升设备产能的情况下，得到更优氮化硅成膜均匀性指标，特别是对片间均匀性有较为明显的提升作用。

【Abstract】The reaction chamber with typical heating mode has gradually been difficult to meet the production needs with the increase of silicon wafer size and loading requirements. This paper proposes to build an auxiliary heating device in the reaction chamber， and conduct comparative experiments to analyze its influence on the process. The experimental results show that the auxiliary heating device can obtain better silicon nitride film-forming uniformity index under the conditions of shortening the heating time and improving the equipment capacity， especially having a more obvious improvement effect on the uniformity between the wafers.

【关键词】PECVD;辅助加热;工艺时间;均匀性

【Keywords】PECVD; auxiliary heating; process time; uniformity

【中图分类号】TK513.5                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）10-0182-03

1 引言

在“双碳”目标下，太阳能将成为清洁能源重要的组成部分，晶体硅光伏电池是获取太阳能的主要载体，近年来，晶体硅光伏电池产业发展迅速，市场需求旺盛，未来也将保持良好的发展态势。管式PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）是晶体硅光伏电池制备的主要设备之一，广泛用于晶硅光伏电池的表面镀膜工艺。

目前，应用大尺寸硅片已成为光伏电池行业降本增效的重要手段。硅片尺寸增大，PECVD反应腔的内径和长度也会相应增大，石墨舟（硅片载具）的质量也会随之增大，这些技术参数的变化会使石墨舟达到工艺温度的时间延长、温场均匀性变差，从而影响产能和成膜质量。

本文提出一种新型的加热方式，即在PECVD反应腔内放置辅助加热装置，再经过实验研究其对产能和成膜质量的影响，对PECVD设备的研制具有一定的参考作用。

2 反应腔的加热方式

2.1 典型加热方式的反应腔

典型加热方式的反应腔结构如图1所示，由密封和水冷法兰、内热偶、支撑部件，石墨舟、外热偶、石英管、电阻加热丝、保温层、支撑法兰、进气法兰等部分组成。密封和水冷法兰用于腔体密封，并通过水冷的方式对密封件进行保护;内热偶用于石英管内部温度检测，放置于石英管底部（6点钟方向）;支撑部件固定在密封和水冷法兰上，用于石墨舟在石英管内的放置支撑;石英管是工艺反应的腔室;电阻加热丝为反应提供热能;保温层用于防止反应腔内的热量散失，并使腔体外部的元器件免受高温损伤;支撑法兰为整个反应室的支撑部件;进气法兰是工艺气体进入反应腔内的通道。

石墨舟在进入反应腔内进行SiNx薄膜沉积之前，需要在低压状态下进行升温，该步骤占总工艺时长的比重大，缩短石墨舟升温时间，对降低单次工艺时间、提升设备产能具有积极意义。在低压状态下对石墨舟进行升温，实质上是通过加热丝的热辐射作用对石墨舟进行加热。随着硅片尺寸增大，光伏电池厂商对石墨舟装片数量要求的增高，石英管内径和石墨舟质量越来越大，导致热辐射的升温效果变差，升温时间加长，且石墨舟的温度均匀性不佳，造成产能和成膜质量降低。

2.2 内置辅助加热的反应腔

为此，本文提出一种在PECVD反应腔内增加辅助加热装置的方法，以期提高升温效果，改善石墨舟温度均匀性，其结构简图如图2所示。

内置辅助加热的反应腔相较典型加热方式反应腔，增加了上下两组辅助加热棒，该加热棒采用红外线辐射加热的方式，在低压环境中该加热方式的效率高，且质量小、热容量低，关闭辅助加热后对炉内温度的影响较小。同时，其还将内热偶移至石英管的侧壁处（9点钟方向）距离石墨舟更近，检测到的温度更接近石墨舟。

从图3可知，横截面约为长方形的石墨舟放置在截面為原型的石英管之内时，上下侧距离加热丝的距离远大于左右两侧，这会使石墨舟上下侧和左右侧存在较大温差，不利于对片间均匀性的控制。在石墨舟的上下方各增加一组辅助加热棒，缩短石墨舟上下侧和热源的距离，促进温度的均匀分布。

3 实验

3.1 实验条件

本实验采用湖南红太阳光电科技有限公司制造研制的管式PECVD设备，载具为载片量为504片的石墨舟。采用GM1150A红外测温仪检测石墨舟初始温度，EV-400椭偏仪检测氮化硅成膜质量。

实验材料：实验片为市售P型单晶硅片，尺寸166.75mm×166.75mm，厚度180±30μm，电阻率1～3Ω·cm。

3.2 实验方法

在管式PECVD设备中选取第一管A和第二管B，管A为实验管，内置辅助加热，管B为对比管，采用典型的加热方式。在实验中，管A和管B的密封和水冷法兰、内热偶、支撑部件、石墨舟、外热偶、石英管、电阻加热丝、保温层、支撑法兰、进气法兰等部件全部相同。本实验在同等条件下，对管A和管B升温工艺时间和成膜效果进行对比。

实验中，管B采用现有成熟的正面氮化硅减反射膜的工艺配方进行1次工艺实验，实验编号为B;管A在该工艺配方的基础上，分别缩短升温时间1min、2min、3min、4min、5min，各进行一次实验，并在升温结束后关闭辅助加热装置，实验编号分别计为A1至A5。

实验所用载片量504片的石墨舟，每次实验所插放6片实验硅片，其余位置放满陪片，确保石墨舟满载。实验硅片在石墨舟的位置如图4所示，L1、L13分别为石墨舟边列和中间列，C1、C5、C9分别为炉口、炉中、炉尾位置。

3.3 数据测试和记录

①石墨舟温度：在实验前，通过红外测温仪对石墨舟的中心舟叶进行温度检测，保证石墨舟的初始温度均为室温25±0.5℃，去除石墨舟温度差对实验效果的影响。②反应温度：本次实验采用的PECVD为5段控温，在炉体的长度方向分为5个温区，温区1和温区5为辅助温区，位于炉口和炉尾，温区2至温区4为恒温区，是石墨舟所处的区域。在每次实验前，确保温区1至温区5的温度分别为固定的设定温度，在每次实验的升温结束后，通过PECVD设备自带的监控系统，读取并记录每个温区的内热偶的温度值，对比管A和管B的升温效果。③氮化硅膜厚：实验结束后，使用椭偏仪对6片实验硅片按照五点法进行膜厚数据测试，测量位置如图5所示。④膜厚均匀性计算：测量记录膜厚数据后，通过式（1）和式（2）分别计算片内均匀性S1和片间均匀性S2。

S1=×100%    （1）

S2=×100%  （2）

公式中，Nmax为单片5点膜厚中最大的数据，Nmin为最小的数据;max为每次实验6片硅片中平均膜厚最大硅片的数据，min为最小的平均数据。

3.4 实验结果和分析

3.4.1 升温效果

在升温前，温区1至温区5的温度设定值依次为：525℃、495℃、495℃、495℃、490℃，升温时间结束后，记录的对比管B和管A的5次实验的实际温度如表1所示。

将每次实验记录的数据和设定值进行差值计算，并得出实验A1至A5恒温区实际值和设定值之间的平均差值，如图6所示。

从图6可知，实验A5因升温时间短，加热不充分，导致实际温度远低于设定温度;实验A1因升温时间过长，导致实际温度远高于设定温度;实验A3的实际数据与设定值最为接近，通过迭代调整，可以得到能满足工艺的温度需求的升温时间。

3.4.2 成膜均匀性

工艺完成后，使用椭偏仪测量实验硅片的膜厚数据，整理并计算均匀性后得到相关数据，如表2所示。

将L1与L13的平均差值、片间均匀性和片内均匀性整理后得到图7和图8。

从图7和图8中可看出，在具备辅助加热的情况下L1与L13的平均差值会显著减少，这说明辅助加热有利于缩小石墨舟中间列和边列的温度差，使石墨舟整体温度更加均匀，从而改善片间均匀性。对于片内均匀性指标，仅在实验A3优于实验B的水平，这说明辅助加热对改善片内均匀性无明显的作用。综合片间均匀性和片内均匀性的情况来说，在增加辅助加热装置后，可以得到更加均匀的工艺效果。

4 结论

本文在管式PECVD设备反应腔中内置了辅助加热装置，并通过实验分析辅助加热装置对升温时间、氮化硅成膜质量的影响。实验表明，增加辅助加热后可以在缩短升温时间、提升设备产能的同时，优化氮化硅成膜均匀性指标，此外，其对片间均匀性发挥了较为明显的提升作用。

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