具体实施方式
请参考图1,图1为等离子体化学气相沉积装置示意图,包括:反应腔室101、位于腔室底部的基座102、对基座温度进行控制的控温装置104、用于分布气体的气体喷淋装置107以及用于产生等离子体的等离子体发生装置106。其中所述基座102用于放置待沉积薄膜的衬底(未图示),所述基座内具有用于加热的电阻丝(未图示)。所述控温装置104与所述基座102电连接用于对基座进行温度升降的控制处理。所述气体喷淋装置107位于腔室顶部,与所述基座102相对设置。
采用上述等离子体化学气相沉积装置的控温装置104直接对电阻丝施加功率将基座102加热,基座温度波动幅度超过10度以上,基座温度波动幅度大对太阳电池非晶硅薄膜或者微晶硅薄膜影响特别大,发明人经过研究发现,原因是基座温度波动幅度大导致形成非晶硅薄膜或者微晶硅薄膜的薄膜晶粒大小不一,均一性差,从而使得形成的薄膜的质量低,性能不稳定。而其他类型的薄膜对基座温度波动幅度不是特别敏感,因此不会产生上述的问题。
为此,本发明的发明人提供一种等离子体化学气相沉积基座温度控制方法,提供具有电阻丝的等离子体化学气相沉积基座和基座加热的目标温度;根据基座的原始温度和基座加热的目标温度,获得目标温度与原始温度的总温度差;根据总温度差决定设定温度梯度的个数以及各温度梯度内温度的数值范围;按照设定的温度梯度,对电阻丝加热使基座依次按照各温度梯度内温度的数值范围升温,其中,对最后一个温度梯度的升温参数进行控制,使得基座温度在达到目标温度后基座温度的波动幅度满足工艺需求,所述工艺需求为沉积非晶硅薄膜或者微晶硅薄膜的要求的波动幅度,以沉积非晶硅薄膜为例,满足工艺需求温度波动为幅度小于5℃,采用上述的基座温度控制方法在升温至目标温度的过程中,对升温做到精确控制。
其中,所述目标温度为沉积非晶硅或者微晶硅薄膜时的基座温度,基座的原始温度为基座的起始温度,需要特别指出的是,所述根据总温度差决定设定温度梯度的个数以及各温度梯度内温度的数值范围作用为避免升温过程中温度波动幅度过大,具体的,根据沉积具体非晶硅或者微晶硅薄膜的工艺要求来决定温度梯度的个数以及各温度梯度内温度的数值范围,换言之,以沉积非晶硅薄膜为例,优选温度梯度为3个,每个温度梯度的温度的数值范围依次为总温度差的15%~25%、总温度差的75%~85%、总温度差的3%~5%,上述的设定的温度梯度和温度梯度的温度的数值范围能够获得较高的非晶硅薄膜,避免非晶硅薄膜的晶粒大小不一;以沉积微晶硅薄膜为例,优选温度梯度为4个,每个温度梯度的温度的数值范围依次为总温度差的15%~25%、总温度差的50%~60%、总温度差的20%~30%、总温度差的3%~5%,上述的温度梯度和温度梯度的温度的数值范围能够获得较高的微晶硅薄膜,避免微晶硅薄膜的晶粒大小不一,在其他实施例中,还可以根据具体的薄膜工艺要求,来设定待沉积薄膜的温度梯度和温度梯度的温度的数值范围,从而获得较好的待沉积薄膜质量。
进一步的,本发明的发明人经过研究发现通过控制最后一个温度梯度的电阻丝的升温速率,最后一个温度梯度的升温时间,最后一个温度梯度的数值范围能够实现基座温度的波动幅度小。
具体地,发明人发现控制最后一个温度梯度的电阻丝升温速率低于其前一温度梯度的电阻丝升温速率,能够降低前一温度梯度升温方式对最后一个温度梯度的升温方式干扰,使得在分温度梯度的控温方法下,最后一个温度梯度的升温速率稳定,从而降低基座温度的波动幅度。
本发明的发明人经过进一步研究,发现按照设定的温度梯度,选择升温速率依次递减的升温方式,对电阻丝加热直至基座依次按照各温度梯度内温度的数值范围升温,采用上述的方式,平稳地从前一温度梯度过渡到后一温度的梯度,从而使得基座温度波动幅度小,基座的升温会更加精确。
本发明的发明人还发现,如果最后一个温度梯度的升温时间足够长,从而使得在最后一个温度梯度内升温足够平稳,进而使得基座的温度升温平稳,达到波动幅度小的目的。
而如果最后一个温度梯度的数值范围足够小,对基座温度的波动幅度起到一定的限制作用,进而使得基座的温度升温平稳,达到波动幅度小的目的。
如图2所示,本发明的等离子体化学气相沉积基座温度控制方法包括如下步骤:
步骤S101,提供具有电阻丝的等离子体化学气相沉积基座和基座加热的目标温度;
步骤S102,根据基座的原始温度和基座加热的目标温度,获得目标温度与原始温度的总温度差;
步骤S103,根据总温度差决定设定温度梯度的个数以及各温度梯度内温度的数值范围;
步骤S104,按照设定的温度梯度,对电阻丝加热使基座依次按照各温度梯度内温度的数值范围升温,其中,对最后一个温度梯度的升温参数进行控制,使得基座温度在达到目标温度后基座温度的波动幅度满足工艺需求。
具体地,等离子体化学气相沉积基座用于放置待沉积薄膜的衬底,所述目标温度可以为沉积非晶硅或者微晶硅薄膜时的基座温度,理论可以为适合沉积非晶硅或者微晶硅薄膜的任何温度,通常目标温度可以为100℃、200℃、140℃、90℃、210℃或150℃。
所述基座的原始温度为基座的起始温度,理论上可以为任何温度,例如20℃、100℃、16℃、200℃、350℃、或76℃,通常基座的原始温度为清洁室的室温,通常为25℃。
温度梯度为对等离子体化学气相沉积基座的电阻丝采用相同升温速率的升温阶段。在采用等离子体化学气相沉积沉积非晶硅或者微晶硅薄膜时,通常为阶梯式递增升温,在每个温度梯度选择不同的电阻丝升温速率来升温该温度梯度的温度的数值范围,且基座材料通常为导热性能好的金属材料,例如铝材,对电阻丝加热而使得导热的基座升温,直至基座达到目标温度。
在本发明中,根据总温度差确定至少2个温度梯度,并根据温度梯度的温度的数值范围来优选每个温度梯度的升温方式,从而优化基座升温过程,降低基座温度达到目标温度的波动幅度。
优选温度梯度为3个或者4个,在其他实施例中,温度梯度可以为7个、9个、11个、20个...,其中,温度梯度个数越多,升温越精确,达到目标温度的波动幅度越小,但是,温度梯度个数过多会影响基座的升温效率,综合考虑基座升温效率和基座温度波动幅度,优选温度梯度为3个或者4个,若温度梯度为3个,每个温度梯度的温度的数值范围依次为总温度差的15%~25%、总温度差的75%~85%、总温度差的3%~5%。若温度梯度为4个,每个温度梯度的温度的数值范围依次为总温度差的15%~25%、总温度差的50%~60%、总温度差的20%~30%、总温度差的3%~5%。
还需要说明的是,本发明还包括:在升温最后一温度梯度的数值范围的时,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体的步骤,以避免点燃等离子体带来额外的能量导致基座的温度有波动的现象,提高基座温度的稳定性。
下面以从25℃升温至150℃,温度梯度为3个为例,对本发明所述等离子体化学气相沉积控温方法的第一实施例做示范性说明。
本实施例中,基座的原始温度为清洁室的室温,通常为25℃。
目标温度为150℃,所述150℃为太阳电池非晶硅薄膜或者微晶硅薄膜的沉积温度,需要说明的是,在其他实施例中,目标温度也可以设定为其他太阳电池非晶硅薄膜或者微晶硅薄膜的沉积温度。
其中目标温度与原始温度具有总温度差,所述总温度差为125℃。
根据总温度差125℃确定温度梯度个数为3个,每个温度梯度的温度的数值范围依次为25℃、95℃和5℃。
在升温第一温度梯度时,升温速率可以为5℃/分钟,5分钟升温至50℃;在升温第二温度梯度时,升温速率可以为10℃/分钟,9.5分钟升温至145℃;在升温第三温度梯度时,升温速率可以为0.5℃/分钟,10分钟升温至150℃。
其中,升温速率的改变可以通过现有的电阻丝加热调节方法来获得,例如:改变电阻丝加热功率、调节电阻丝的加热时间等参数,在这里不一一赘述。
需要说明的是,在本实施例中,最后一个温度梯度(即第三温度梯度)的升温速率为0.5℃/分钟,低于其前一温度梯度(即第二温度梯度)10℃/分钟,最后一温度梯度具有比前一温度梯度低的升温速率具有优化基座升温过程的优点,从而降低基座温度达到目标温度的波动幅度。
请参考图3,图3为采用本发明所述等离子体化学气相沉积控温方法的第一实施例的基座温度升温曲线图,从基座的温度升温曲线图可以看出,第一温度梯度T1为25℃、第二温度梯度T2为95℃、第三温度梯度T3为5℃,基座达到目标温度后,基本稳定在150℃,温度波动范围低于5℃。
下面以从室温升温至150℃,温度梯度为4个为例,对本发明等离子体化学气相沉积控温方法的第二实施例做示范性说明。
在本实施例中,目标温度与原始温度具有总温度差,所述总温度差为125℃。根据总温度差确定温度梯度个数为4个,每个梯度的温度的数值范围依次为25℃、70℃、25℃和5℃。
在本实施例中,第一梯度的温度的数值范围为25℃,对电阻丝升温第一梯度的温度的数值范围时,升温速率为5℃/分钟,5分钟升温至50℃。
第二梯度的温度的数值范围为70℃,对电阻丝升温第二梯度的温度的数值范围时,升温速率为4℃/分钟,17.5分钟升温至120℃。
第三梯度的温度的数值范围为25℃,对电阻丝升温第三梯度的温度的数值范围时,升温速率为3℃/分钟,8.33分钟升温至145℃。
第四梯度的温度的数值范围为5℃,对电阻丝升温第四梯度的温度的数值范围时,升温速率为0.5℃/分钟,10分钟升温至150℃。
在本实施例中,发明人综合考虑实用性和效率,将原始温度和目标温度的温度差分为4个温度梯度,并在升温每个梯度的温度的数值范围的时候,选择升温速率依次降低的升温方式,使得达到目标温度时,温度波动范围小。
请参考图4,图4为采用本发明所述等离子体化学气相沉积控温方法的第二实施例的基座温度升温曲线图,从基座的温度升温曲线图可以看出,第一温度梯度t1为25℃、第二温度梯度t2为70℃、第三温度梯度t3为25℃、第四温度梯度t4为5℃。基座达到目标温度后,基本稳定在150℃,温度波动范围低于3℃。
下面以从室温升温至150℃,温度梯度为4个为例,并且在升温过程中,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体,对本发明所述等离子体化学气相沉积控温方法的第三实施例做示范性说明。
在本实施例中,目标温度与原始温度具有总温度差,所述总温度差为125℃。根据总温度差确定温度梯度个数为4个,每个梯度的温度的数值范围依次为25℃、70℃、25℃和5℃。
升温本实施例的第一、第二、第三梯度的温度的数值范围可以参考第二实施例,依次采用5℃/分钟的升温速率对电阻丝升温5分钟、4℃/分钟的升温速率对电阻丝升温17.5分钟、3℃/分钟的升温速率对电阻丝升温8.33分钟,采用上述的升温方式,升温30.83分钟后,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体的瞬间,等离子体会带来额外的能量,导致基座的温度有波动,同时,采用升温速率为0.5℃/分钟的升温第四梯度的温度的数值范围(5℃),升温时间为10分钟,直至等离子体化学气相沉积基座达到目标温度。在升温第四梯度的温度的数值范围时,等离子体化学气相沉积基座的温度波动会逐渐稳定下来,从而使得等离子体化学气相沉积基座温度达到目标温度时,温度波动范围小。
下面以从室温升温至150℃,温度梯度为4个为例,并且在升温第四梯度的温度的数值范围时,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体,对本发明所述等离子体化学气相沉积控温方法的第四实施例做示范性说明。
在本实施例中,目标温度与原始温度具有总温度差,所述总温度差为125℃。根据总温度差确定温度梯度个数为4个,每个梯度的温度的数值范围依次为25℃、70℃、25℃和5℃。
升温本实施例的第一、第二梯度、第三的温度的数值范围可以参考第二实施例,依次采用5℃/分钟的升温速率对电阻丝升温5分钟、4℃/分钟的升温速率对电阻丝升温17.5分钟、3℃/分钟的升温速率对电阻丝升温8.33分钟,采用上述的升温方式,升温30.83分钟后,然后,对电阻丝升温第四梯度的温度的数值范围时,采用0.5℃/分钟的升温速率对电阻丝升温10分钟,在电阻丝升温1分钟后,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体的瞬间,等离子体会带来额外的能量,导致基座的温度有波动,在此过程中,保持0.5℃/分钟的升温速率对电阻丝升温,直至等离子体化学气相沉积基座达到目标温度。在升温第四梯度的温度的数值范围时,由于第四温度梯度的电阻丝升温速率较低,等离子体带来额外的能量在该升温过程中被消化,对基座温度达到目标温度时几乎没有影响,在升温第四梯度的温度的数值范围时,等离子体化学气相沉积基座的温度波动会逐渐稳定下来,从而使得等离子体化学气相沉积基座温度达到目标温度时,温度波动范围小。
综上所述,本发明通过根据目标温度与原始温度的总温度差分成至少两个温度梯度,考虑到效率和实用,优选3个温度梯度或者4个温度梯度,其中,分为3个温度梯度时,每个梯度的温度的数值范围依次为总温度差的15%~25%、总温度差的75%~85%、总温度差的3%~5%;采用最后一个温度梯度的电阻丝升温速率低于其前一温度梯度的电阻丝升温速率,从而使得基座温度达到目标温度时,温度波动范围小。
进一步的,在升温温度梯度的数值范围时,依次采用升温速率依次降低的升温方式,使得达到目标温度时,温度波动进一步降低。
特别地,本发明在升温最后一温度梯度的数值范围时,点燃等离子体化学气相沉积装置的等离子体,能够避免点燃等离子体带来额外的能量导致基座的温度有波动的现象,提高基座温度的稳定性,从而避免温度波动带来的形成的非晶硅薄膜或者微晶硅薄膜的薄膜晶粒大小不一,均一性差问题,提高形成薄膜的质量。
下面以从25℃升温至150℃,温度梯度为3个为例,对本发明所述等离子体化学气相沉积控温方法的第五实施例做示范性说明。
根据总温度差125℃确定温度梯度个数为3个,每个温度梯度的温度的数值范围依次为25℃、95℃和5℃。
在升温第一温度梯度时,升温速率可以为5℃/分钟,5分钟升温至50℃;在升温第二温度梯度时,升温速率可以为10℃/分钟,9.5分钟升温至145℃;在升温第三温度梯度时,选择升温时间为40分钟,此时升温速率为0.125℃/分钟。在其他实施例中,升温时间还可以是1小时,2小时,2小时30分钟...;需要说明的是,发明人发现,升温时间选择越长,基座温度达到目标温度时,温度波动范围小,但是,升温时间越长,升温效率会越低,综合考虑生产效率,优选升温时间为40分钟。
本实施例中,根据总温度差确定3个温度梯度,并依次升温每个温度梯度的温度的数值范围,且控制最后一个温度梯度的升温时间直至基座温度达到目标温度时,温度波动范围小,且避免单一升温方式基座温度波动大的缺陷。
下面以从25℃升温至150℃,温度梯度为3个为例,对本发明所述等离子体化学气相沉积控温方法的第六实施例做示范性说明。
根据总温度差125℃确定温度梯度个数为3个,每个温度梯度的温度的数值范围依次为25℃、99℃和1℃。
在升温第一温度梯度时,升温速率可以为5℃/分钟,5分钟升温至50℃;在升温第二温度梯度时,升温速率可以为10℃/分钟,9.9分钟升温至149℃;在升温第三温度梯度时,由于第三温度梯度的数值范围为1℃,后续的升温可以采用较低的升温速率,例如0.125℃/分钟、1℃/分钟等,1℃的第三温度梯度的数值范围对基座温度的波动幅度起到一定的限制作用,进而使得基座的温度升温平稳,达到波动幅度小的目的。
以上仅对各梯度温度内匀速升温进行了描述,然,根据本发明的精神,只要控制各温度梯度的升温时间与需升温的数值范围,其中各个温度梯度内的温度升温速率可以为加速、减速、或者根据工艺需求而任意设定。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。