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PECVD(RothRau)工艺培训


PECVD (Roth&Rau)工艺培训 )工艺培训
一、PECVD 工序的原理及作用
PECVD,即微波间接等离子增强化学气相沉积 即微波间接等离子增强化学气相沉积, 英文全称为 Microwave Remote Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition。 Deposition。 PECVD 主要是在硅片表面

在硅片表面(扩散面)沉积一层深蓝色的 SiNx 膜。而这层 SiNx 膜的作用 而这层 是: a)减少电池表面光的反射 减少电池表面光的反射; b)进行表面及体钝化, ,减少电池的反向漏电流; c)具有良好的抗氧化和绝缘性能 具有良好的抗氧化和绝缘性能,同时具有良好的阻挡钠离子、阻挡金属和水蒸汽扩 阻挡金属和水蒸汽扩 散的能力。 为了改善太阳能电池片的功率, 为了改善太阳能电池片的功率 可以通过在多晶硅表面及内部的电子空穴对上沉积一层 晶硅表面及内部的电子空穴对上沉积一层 很薄的氮化硅来实现,又称为钝化 又称为钝化。由于此氮化硅沉积层所具有高硬度,抗化学反应性 抗化学反应性,折 射性强等优点使得它成为当之无愧的保护性抗反射层。 射性强等优点使得它成为当之无愧的保护性抗反射层 通过微波激发的等离子体具有很高的 波激发的等离子体具有很高的 载电荷浓度(其中离子和电子能量级可 10eV) 这样也正好满足薄膜淀积工艺中对于离子撞 其中离子和电子能量级可 ,这样也正好满足薄膜淀积工艺中对于离子撞 击所需的要求。 相互间碰撞使其分子 工艺腔中的 NH3 和 SiH4 分子在高频微波源的作用下热运动加剧,相互间碰撞使其分子 电离,这些离子反应生成 SiNx SiNx。

3SiH 4 → SiH 3 + SiH 2 + SiH 3? + 6 H +
350 ℃

等离子体

?

2?

2 NH 3 → NH 2 + NH 2? + 3H +
℃ 350

等离子体

?

总反应式: 总反应式 3SiH 4 + 4 NH 3

等离子体 350 ℃

→ Si 3 N 4 + 12H 2 ↑

在左图中示出了四分之一波长减反射膜 的原理。 从第二个界面返回到第一个界面的反 射光与从第一个界面的反射光相位相差 180 度,所以前者在一定程度上抵消了后者 所以前者在一定程度上抵消了后者。即 n1d1=λ/4。

SiN 减反膜的最佳折射率 n1 为 1.9 或 2.3。膜厚控制在 77-93nm,硅片镀膜面颜色呈 硅片镀膜面颜色呈

0.70

0.60

0.50

Reflectance(0-1)

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Wavelength(nm)

化学清洗后硅片反射率

沉积SiN膜后的反射率

PECVD 镀膜后的减反射效果明显。

二、设备简介
设备跟产品的质量联系最为密切,PECVD 主要使用的设备分为板式跟管式 设备跟产品的质量联系最为密切 板式跟管式。主要介绍 Roth&Rau 板式 PECVD。

SiNA 是德文 Silizium(硅 硅)-Nitrid(氮)-Anlage(处理系统)的缩写。它是专门利用 PECVD 它是专门利用 过程来沉积氮化硅薄膜的系统,最初 SINA 系统只用于研究。SiNA 系统是一个模块化的在线 过程来沉积氮化硅薄膜的系统 生产系统,主要用于太阳电池减反膜的沉积 。 主要用于太阳电池减反膜的沉积 SiNA 系统有三个腔体,分别是进料腔 分别是进料腔,反应腔(包括预热、沉积和冷却三部分 沉积和冷却三部分)和出料 腔。 各腔体直接有闸门阀隔开。 各腔体直接有闸门阀隔开 除了腔体, 其它主要部分包括真空泵系统, 真空监测系统 (各 种真空规) ,气体供应系统, ,等离子源(微波发生器) ,冷却水系统,硅片传送系统和衬底加 硅片传送系统和衬底加 热系统等。 板式 PECVD 用石墨框作为载体 用石墨框作为载体,上料时将硅片轻放于石墨框的挂钩上。 。进料腔抽到一 定的真空度后打开 2#门,石墨框进入工艺腔 石墨框进入工艺腔进行镀膜。镀膜完成后进入冷却腔冷却 镀膜完成后进入冷却腔冷却,最后 经过出料腔到下料台。下料完成后经过自动返板线将空置的石墨框返回上料台 下料完成后经过自动返板线将空置的石墨框返回上料台。 下料完成后经过自动返板线将空置的石墨框返回上料台 镀膜反应主要在工艺腔内进行。工艺腔内有四组独立的镀膜系统,如下图 镀膜反应主要在工艺腔内进行 如下图。

板式 PECVD 沉积原理

喷淋系统构造

微波组件组成部分

Microwave Generator: 微波产生器, Carrier with hanging substrates: 挂有载片的载板, Quarz-tube with inner conductor: 带有内置铜导管的石英管, tube Plasma: 等离子体

理论上讲,通过微波有四种不同的方法可以激发出大区域的等离子体 通过微波有四种不同的方法可以激发出大区域的等离子体 1.微波可通过喇叭型天线来激发等离子体 微波可通过喇叭型天线来激发等离子体 2.微波可通过电介质窗来激发等离子体 微波可通过电介质窗来激发等离子体 3.微波可通过一组 λ/4 的天线来激发等离子体 4.微波可通过一个同轴的石英管系统来激发等离子体 微波可通过一个同轴的石英管系统来激发等离子体 上面所引述的前三种通过微波激发等离子体的方法可以适用于在选定的位置激发等离子体, 上面所引述的前三种通过微波激发等离子体的方法可以适用于在选定的位置激发等离子体 但对于整个区域而言等离子体的浓度并不是均匀的。 但对于整个区域而言等离子体的浓度并不是均匀的 要获得均匀的大区域等离子体只能在远 离微波输入的范围才能观测得到。 离微波输入的范围才能观测得到 而通过一个内置同轴的石英管与微波发射器相接后可在石英管上进行表面波放电, 而通过一个内置同轴的石英管与微波发射器相接后可在石英管上进行表面波放电 从而可以 激发出高均匀度的微波等离子体,或称之为大区域的线性微波等离子体。 激发出高均匀度的微波等离子体

Quartz tube: 石英管,inner conductor: 内置铜导管,high density plasma area: 高密度等离子体区域 inner 高密度等离子体区域, coaxial outer conductor: 同轴外导体 同轴外导体,magnet system: 外加磁场系统,thin film deposition plasma: 薄膜敷层 thin 等离子体,deposition shield: 敷层防护槽 敷层防护槽,gas supply: 气体供应,substrates: 载片

对于 LPS 1 等离子体源和一般的 等离子体源和一般的“线性等离子体”源来讲,他们之间最大的区别 LPS 1 他们之间最大的区别是 中配备了附加的磁性组件。 。这样使得 LPS 1 具有以下两个优点:

1.在等离子体区域中加入一个 在等离子体区域中加入一个(等离子)磁约束后可减少带电电荷的损失 磁约束后可减少带电电荷的损失,以提高等离 子体密度 2. 可以对石英管的同轴外导管等离子体起到增强和稳定的作用 可以对石英管的同轴外导管等离子体起到增强和稳定的作用。

Fig1.产生线性均匀的等离子体的原理示意图

图示的是产生线性均匀的等离子体的原理示意图, 图示的是产生线性均匀的等离子体的原理示意图 但其产生原理并不像所看上去的那么 简单。 微波的输入功率取决于工艺气体的类型和石英管的长度。 微波的输入功率取决于工艺气体的类型和石英管的长度 在下表中则给出了微波功率 表中则给出了微波功率 所必需的条件。

如要使得线性等离子体源的有效长度达到 1 米则需要在每一侧加上 4kW 的微波功率。 但很遗憾这个数值已超过了石英管所能承受的最大功率(有可能导致过热变形 但很遗憾这个数值已超过了石英管所能承受的最大功率 有可能导致过热变形) 。为了克 服这个难题,我们引入了脉冲型微波 我们引入了脉冲型微波。

等离子体在 t

on

时出现,而在 t

off

时消失

由于这两段时间都是在毫秒的计量范围内编排的,所以脉冲的频率也是在 由于这两段时间都是在毫秒的计量范围内编排的 所以脉冲的频率也是在 1Hz 和 1kHz 之间 T=ton+toff,f=1/T. 微波功率峰值取决于产生均匀等离子体的效果如何。 微波功率峰值取决于产生均匀等离子体的效果如何 平均微波功率可通过不同的脉冲次 数来控制沉积敷层率。 从而保证了即使是在相当高的功率峰值平均微波功率仍可被保持在石 英管的发热极限之下。也可通过平均微波功率保持在石英管的受热极限以下。

Pmean=Ppeak*ton/(ton+toff) off)是平均微波功率和峰值功率的关系。
在图 6 左侧则是在如下方案中 左侧则是在如下方案中,Si3N4 的厚度沿着等离子体源轴的变化曲线

Ppeak = 2 x 800 W , corresponding to Fig. a), (P1+P2< Popt), Fig.1 ), Ppeak = 2 x 1600 W , corresponding to Fig. b), (P1+P2< Popt). Fig.1 ).
由下图左侧可知在微波功率峰值为 2x1600W 时可以达到一个均匀的等离子体沉积敷层 可知在微波功率峰值为 时可以达到一个均匀的等离子体沉积敷层。 右侧所示的则是在已给定的为 50Hz 下随着不同的微波脉冲长度而变化的沉积敷层效率曲线 下随着不同的微波脉冲长度而变化的沉积敷层效率曲线。

三、质控点
1、由于板式 PECVD 的沉积原理,工艺腔内的喷淋系统容易堵塞,因此需要定期清理工 艺腔内的 SiNx 且更换石英管(详见《更换石英管作业规程》。每次更换石英管是要求工艺确 )

更换完石英管后要及时填写 《PECVD 认所有的特气孔是否已通, 确保工艺腔内特气均匀。 更换石英管点检表》 。
开机时要进行工艺参数及设备参数点检。 工艺参数点检要运行的工艺参数是否与设定值 一致,工艺腔压强必须达到 2.0E-2mbar 以下开起工艺。设备日常点检表主要点检氮气压力 5-6bar,压缩空气压力 5-6bar、冷却水温度 18-22℃、冷却水进水和出水压差在 2bar 以上、 反射功率小于 13%以及设备的日常卫生工作。 2、PECVD 是硅片外观检查的主要工序,是连接前后道的枢纽,准确及时的挑选返工片 极为重要。 根据目前现状,对 PECVD 返工片做如下分类: 色差片:由于工艺或设备原因造成的片内膜色不均;膜深片。 线痕片: 由于二次清洗工艺存在缺陷, 在蓝色的氮化硅膜上有一条或多条弯曲的线 状金属线痕或者由于原硅片原因导致的切割线痕; 白斑片、花片:由于制绒存在缺陷,而使局部区域存在膜的颜色发白,或镀膜面存 在花纹状。 其它类型:不属于以上三种类型的返工片。 在下料台处准备四个空的承载盒;在每个承载盒的侧边贴上“色差片”“线痕片”“白 、 、 斑片、花片”“其它类型”标签。 、 下料过程中,出现返工片时放入相应的片盒。 当班结束后,对不同类型的返工片进行分别统计,计入“PECVD 返工片分类统计表” 。

四、原辅料简介及相关紧急救助 原辅料简介及相关紧急救助
PECVD 所用到的气体主要是氨气与硅烷, 这两种特殊气体具有较大的危害性。 因此必须 注意安全使用及掌握紧急救助的方法。 无水氨气是一种刺激性、无色、可燃的储存于钢瓶的液化压缩气体。其存储压力为其蒸 无水氨气 汽压 14psig(70℉)。氨气会严重灼伤眼、皮肤及呼吸道。当它在空气中的浓度超过 15%时有 立即造成火灾及爆炸的危险, 因此进入这样的区域前必须排空。 进入浓度超过暴露极限的区 域要佩戴自给式呼吸器。 大规模泄露时需要全身防护服, 并应随时意识到潜在的火灾和爆炸 危险。暴露在氨气中会对眼睛造成中度到重度的刺激。氨气强烈地刺激鼻子、喉咙和肺。症 状包括灼伤感、咳嗽、喘息加重、气短、头痛及恶心。过度暴露会影响中枢神经系统并会造 成痉挛和失去知觉。上呼吸道易受伤害并导致气管炎。声带在高浓度下特别容易受到腐蚀, 下呼吸道伤害会造成水肿和出血,暴露在 5000ppm 下 5 分钟会造成死亡。 紧急救助: 眼睛接触:用大量的水冲洗,立即进行医疗处理。 吸入:将人员移到空气清新处,若呼吸困难,则输氧,并迅速进行医务处理。 皮肤接触:用大量水冲洗,立即脱掉被污染的衣服,并立即进行药物处理。 火灾扑救: 灭火剂:干粉、二氧化碳或水 从泄漏区疏散所有的人,切断氨气泄漏源,然后根据燃烧的物质进行灭火。由于受热钢 瓶内压力会升高,如果泄压装置功能失灵,会引起钢瓶爆炸。 硅烷是一种无色、 硅烷 与空气反应并会引起窒息的气体。 该气体通常与空气接触会引起燃烧 并放出很浓的白色无定型二氧化硅烟雾。 它对健康的首要危害是它自燃的火焰会引起严重的 热灼伤。 如果严重甚至会致命。 如果火焰或高温作用在硅烷钢瓶的某一部分会使钢瓶在安全 阀启动之前爆炸,如果泄放硅烷时压力过高或速度过快,会引起滞后性的爆炸。泄漏的硅烷 如没有自燃会非常危险,不要靠近,不要试图在切断气源之前灭火。 硅烷会刺激眼睛, 硅烷分解产生的无定型二氧化硅颗粒会引起眼睛刺激。 吸入高浓度的 硅烷会引起头痛、恶心、头晕并刺激上呼吸道。硅烷会刺激呼吸系统及粘膜。过度吸入硅烷 会引起肺炎和肾病。硅烷会刺激皮肤、硅烷分解产生无定型二氧化硅颗粒会引起皮肤刺激。 紧急救助: 由于硅烷泄漏引起人员灼伤应由受过培训的人员进行急救,并立即寻求医疗处理 眼睛接触:应立即用水冲洗至少 15 分钟,水流不要太快,同时翻开眼睑,使受难者为“O” 形眼,立即寻求眼科处理; 吸入:将患者尽快移到空气清新处,如有必要由受过培训的人员进行输氧或人工呼吸。 皮肤接触:用大量的水清洗至少 15 分钟,脱掉已暴露在硅烷中被污染的衣服,小心不要接 触到眼睛,如果患者有持续的刺激感或其他进一步的健康影响需立即进行医疗处理。 火灾扑救: 切断气源灭火,用水雾减少空气中形成的燃烧产物,不要用卤化物类灭火器。从最远的 距离用水冷却暴露在火焰中的钢瓶。 从泄漏区疏散所有人, 切断气源, 根据燃烧的物质灭火。 由于热量的作用气瓶内压力会升高,如果泄压装置失灵会引起钢瓶爆炸。

五、改善方向 1、优化每个重要工艺参数的窗口来提高效率及改善均匀性; 2、降低返工率,节约成本等。


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