在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的装置及制备方法与流程

本发明涉及在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的装置及制备方法。

背景技术：

目前平价上网要求光伏行业的发展以更高的光电转换效率为核心。现有高效晶硅太阳能电池技术路线：p-perc(passivatedemitterandrearcell,钝化发射极背场点接触)、n-pert(passivatedemitterreartotally-diffusedcell,钝化发射极背表面全扩散)，hjt(heterojunction,异质结)，ibc(inter-digitatedback-contact,插指背结背接触)，mwt(metalwrapthrough,金属穿孔卷绕)；topcon(tunneloxidepassivatedcontact，隧穿氧化钝化接触)。

p-perc电池将背面的接触范围限制在开孔区域，增加了工艺的复杂度外，开孔处的高复合速率依然存在,光致衰减lid问题没有完全解决。

n-pert特点是背表面扩散全覆盖以减小和降低电池的背面接触电阻和复合速率，但无隧穿氧化钝化层。

hjt和ibc技术由于成本和良品率的问题，产业界尚未大规模投入。

根据量子隧穿效应制造的太阳能电池称为隧穿氧化钝化接触太阳能电池tunneloxidepassivatedcontact,简称topcon。topcon技术是在电池背面制备一层超薄的可隧穿的sio2氧化层和一层高掺杂的多晶硅薄膜层，二者共同形成了钝化接触结构，为硅片的背面提供了良好的表面钝化。由于sio2氧化层很薄，硅薄层有掺杂，多子(电子)可以隧穿透这两层钝化层，而少子(空穴)则被阻挡，如果在其上再沉积金属，就可以得到无需开孔的钝化接触。topcon技术，既能实现背面整面钝化，又无需开孔接触，是一种进一步降低背面金属接触区复合速率以实现背面整体钝化接触技术。

但是现有技术中在硅片表面制备致密的sio2膜层和一层高掺杂的多晶硅膜层技术不成熟，成本高，影响产业的发展。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是提供在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的装置，该装置结构简单，不会发生绕射，成本低。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的制备方法，该方法可以制备均匀致密的sio2薄膜以及掺杂浓度可调的掺杂多晶硅薄膜，而且制备过程节能，靶材便宜，成本低。

为解决上述第一个技术问题，本发明提供了在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的装置，包括从前至后依次串联的进口预抽室、进口过渡室、至少一个氧化室、至少一个工艺室、回火室、冷却室、出口缓冲室、出口室，任意相邻的两个腔室之间的连接处均设有真空隔离插板阀，所述的进口预抽室前侧设有第一翻板阀，出口室的后侧设有第二翻板阀，所述的进口预抽室和出口室上均连接有真空泵，所述的进口过渡室、氧化室、工艺室、回火室、冷却室、出口缓冲室上均连接有涡轮分子泵，所述的氧化室上连接有低能氧离子源，工作室内设有至少一个硅靶和至少一个气态原位掺杂源，回火室内的前部设有红外加热源、后部设有波长为200-300nm的紫外激光回火系统。

作为优选的，所述的硅靶形态为平面靶、圆柱靶、圆筒形靶或者两端大中间小的狗骨形靶。

作为优选的，所述的气态掺杂源为成分为磷掺杂源或硼掺杂源。

为简单说明问题起见，以下对本发明所述的在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的装置均简称为本装置。

本装置的优点：本装置结构简单，不会发生绕射，适合于兼容大小尺寸，成本低。

为解决上述第二个技术问题，本发明提供了在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅片在石墨托盘上按行列式排布；

(2)开启第一翻板阀，载有硅片的石墨托盘先进入进口预抽室，在真空泵作用下将气压从常压降至1pa；

(3)打开进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入进口过渡室，然后关闭进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀，在涡轮分子泵作用下，将气压降至10^-2pa；

(4)打开进口过渡室和氧化室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入氧化室，在涡轮分子泵作用下继续减压至10^-4pa，同时，启动低能氧离子源，在硅片上形成一层sio2薄膜，厚度为0.5-3nm，低能氧离子参数为：氧离子体能量范围:20ev-50ev，低能氧等离子体工作压强2*10^-1pa-5*10^-2pa，射频频率13.56mhz,氧低能离子源宽度10-100cm，硅片传输速度1-10m/s，高密度二氧化硅薄膜生长速率10-50nm/s；

(5)打开氧化室和工艺室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入工艺室，工艺室在涡轮分子泵作用下保持气压为10^-4pa，通入惰性气体作为溅射沉积非晶硅薄膜的工艺气体，惰性气体压强为范围1pa到10^-2pa，工艺室内通过硅靶和气态掺杂源进行物理气相沉积，其中，磁控溅射靶面到工件的距离为90-150mm，磁控溅射工艺温度为100-300℃，沉积的厚度为50nm-200nm；

(6)打开工艺室和回火室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入回火室，回火室在涡轮分子泵作用下保持气压10^-1到10^-4pa范围，硅片在回火室内先经过红外加热保持温度为100-300℃，然后经过紫外激光加热回火使其晶化，紫外激光的波长为200-300nm，回火温度为850-900℃；

(7)打开回火室和冷却室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入冷却室，冷却室在涡轮分子泵作用下保持气压为10^-1到10^-4pa范围，硅片在冷却室内冷却至300℃；

(8)打开冷却室和出口缓冲室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口缓冲室，出口缓冲室在涡轮分子泵作用下逐渐升压至1到10^-2pa范围；

(9)打开出口缓冲室和出口室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口室，在出口室的真空泵作用下逐渐升压至常压，最后开启第二翻板阀出料即可。

为简单说明问题起见，以下对本发明所述的在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的制备方法均简称为本方法。

硅片形状可以为为正方形、长方形或其他多边形。正方形尺寸范围为10mm*10mm到250mm*250mm，对于长方形硅片，或其他多边形硅片其尺寸范围以周长计算，周长之和大于40mm。硅片厚度为110-250μm，石墨托盘大小在1m*1m到4m*4m范围内可以选择，每个石墨托盘可以装载100片以上的10mm*10mm到210mm*210mm硅片。

低能氧离子的产生是利用稀薄气体中的高频放电现象使气体电离，一般用来产生低电荷态正离子，有时也从中引出负离子，作为负离子源使用。

在高频电场中，自由电子与气体中的原子(或分子)碰撞，并使之电离。带电粒子间的碰撞产生大量等离子而形成等离子体。高频离子源的放电管一般用石英管制作。高频场可由管外螺线管线圈产生，也可由套在管外的环形电极产生。前者称为电感耦合,后者称为电容耦合。等离子激发源可为13.56兆赫兹射频电源，也可以为2.4g赫兹微波源，输出功率可在数百到数千瓦范围。在高频放电区域中加有恒定磁场时，由于共振现象可提高放电区域中的离子浓度。

德国ccr公司可以提供射频感性耦合等离子体源(rf-icp)，适合于本发明的离子源为德国ccr公司的coprals-series射频离子源，ls1300x201grpe。

rf-icp离子源主要由真空放电室、电感线圈(射频天线)、气体导入组件和射频电源及功率匹配器构成等组件构成。rf-icp工作时,线圈电流产生的高频磁场在放电室内产生感应电场,电子在电场加速下完成等离子体激发过程。

在石墨托盘上的硅片进行溅射沉积原位掺杂非晶硅薄膜时，可以从硅片上面沉积，亦可以从硅片下面沉积，在石墨托盘上的硅片也可以为垂直安装或以一定的角度安装，可以达到从水平，垂直，或以一定的角度沉积原位掺杂非晶硅薄膜的目的。

本方法的优点：本方法可以制备均匀致密的sio2薄膜以及掺杂浓度可调的掺杂多晶硅薄膜，而且制备过程节能，靶材便宜，无污染，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构框图。

具体实施方式

实施例一：

参见图1，在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的装置，包括从前至后依次串联的进口预抽室1、进口过渡室2、氧化室3、工艺室4、回火室5、冷却室6、出口缓冲室7、出口室8，任意相邻的两个腔室之间的连接处均设有真空隔离插板阀31，所述的进口预抽室1前侧设有第一翻板阀11，出口室8的后侧设有第二翻板阀81，所述的进口预抽室1和出口室8上均连接有真空泵12，所述的进口过渡室2、氧化室3、工艺室4、回火室5、冷却室6、出口缓冲室7上均连接有涡轮分子泵21，所述的氧化室3上连接有低能氧离子源32，工作室内设有两个前后间隔布置的硅靶41和气态掺杂源42，回火室5内的前部设有红外加热源51、后部设有波长为260nm的紫外激光回火装置52。

所述的硅靶41形态为平面靶。

所述的气态掺杂源42为成分为磷烷。

实施例二：

参见图2，在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的装置，包括从前至后依次串联的进口预抽室1、进口过渡室2、两个氧化室3、两个工艺室4、回火室5、冷却室6、出口缓冲室7、出口室8，任意相邻的两个腔室之间的连接处均设有真空隔离插板阀31，所述的进口预抽室1前侧设有第一翻板阀11，出口室8的后侧设有第二翻板阀81，所述的进口预抽室1和出口室8上均连接有真空泵12，所述的进口过渡室2、氧化室3、工艺室4、回火室5、冷却室6、出口缓冲室7上均连接有涡轮分子泵21，所述的氧化室3上连接有低能氧离子源32，工作室内设有两个前后间隔布置的硅靶41和气态掺杂源42，回火室5内的前部设有红外加热源51、后部设有波长为260nm的紫外激光回火装置52。

所述的硅靶41形态为圆柱靶。

所述的气态掺杂源42为成分为tmp。

实施例三：

在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅片在石墨托盘上按行列式排布；

(2)开启第一翻板阀，载有硅片的石墨托盘先进入进口预抽室，在真空泵作用下将气压从常压降至1pa；

(3)打开进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入进口过渡室，然后关闭进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀，在涡轮分子泵作用下，将气压降至10^-2pa；

(4)打开进口过渡室和氧化室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入氧化室，在涡轮分子泵作用下继续减压至10^-4pa，同时，启动低能氧离子源，在硅片上形成一层sio2薄膜，厚度为0.5nm，低能氧离子参数为：氧离子体能量范围:20ev，低能氧等离子体工作压强2*10^-1pa，射频频率13.56mhz,氧低能离子源宽度10cm，硅片传输速度1-10m/s；

(5)打开氧化室和工艺室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入工艺室，工艺室在涡轮分子泵作用下保持气压为10^-4pa，通入氩气作为溅射沉积非晶硅薄膜的工艺气体，惰性气体压强为范围1pa，工艺室内通过硅靶和气态掺杂源进行物理气相沉积，其中，磁控溅射靶面到工件的距离为90mm，磁控溅射工艺温度为100℃，沉积的厚度为50nm；

(6)打开工艺室和回火室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入回火室，回火室在涡轮分子泵作用下保持气压10^-1pa，硅片在回火室内先经过红外加热保持温度为100℃，然后经过紫外激光加热回火使其晶化，紫外激光的波长为200nm，回火温度为850℃；

(7)打开回火室和冷却室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入冷却室，冷却室在涡轮分子泵作用下保持气压为10^-1pa，硅片在冷却室内冷却至300℃；

(8)打开冷却室和出口缓冲室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口缓冲室，出口缓冲室在涡轮分子泵作用下逐渐升压至1pa；

(9)打开出口缓冲室和出口室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口室，在出口室的真空泵作用下逐渐升压至常压，最后开启第二翻板阀出料即可。

实施例四：

在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅片在石墨托盘上按行列式排布；

(2)开启第一翻板阀，载有硅片的石墨托盘先进入进口预抽室，在真空泵作用下将气压从常压降至1pa；

(3)打开进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入进口过渡室，然后关闭进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀，在涡轮分子泵作用下，将气压降至10^-2pa；

(4)打开进口过渡室和氧化室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入氧化室，在涡轮分子泵作用下继续减压至10^-4pa，同时，启动低能氧离子源，在硅片上形成一层sio2薄膜，厚度为2nm，低能氧离子参数为：氧离子体能量范围:35ev，低能氧等离子体工作压强1*10^-1pa，射频频率13.56mhz,氧低能离子源宽度55cm，硅片传输速度5m/s；

(5)打开氧化室和工艺室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入工艺室，工艺室在涡轮分子泵作用下保持气压为10^-4pa，通入氩气作为溅射沉积非晶硅薄膜的工艺气体，惰性气体压强为0.5pa，工艺室内通过硅靶和气态掺杂源进行物理气相沉积，其中，磁控溅射靶面到工件的距离为120mm，磁控溅射工艺温度为200℃，沉积的厚度为125nm；

(6)打开工艺室和回火室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入回火室，回火室在涡轮分子泵作用下保持气压0.05pa，硅片在回火室内先经过红外加热保持温度为200℃，然后经过紫外激光加热回火使其晶化，紫外激光的波长为260nm，回火温度为875℃；

(7)打开回火室和冷却室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入冷却室，冷却室在涡轮分子泵作用下保持气压为0.05pa，硅片在冷却室内冷却至300℃；

(8)打开冷却室和出口缓冲室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口缓冲室，出口缓冲室在涡轮分子泵作用下逐渐升压至0.5pa；

(9)打开出口缓冲室和出口室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口室，在出口室的真空泵作用下逐渐升压至常压，最后开启第二翻板阀出料即可。

实施例五：

在硅片表面制备二氧化硅和多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅片在石墨托盘上按行列式排布；

(2)开启第一翻板阀，载有硅片的石墨托盘先进入进口预抽室，在真空泵作用下将气压从常压降至1pa；

(3)打开进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入进口过渡室，然后关闭进口预抽室和进口过渡室之间的真空隔离插板阀，在涡轮分子泵作用下，将气压降至10^-2pa；

(4)打开进口过渡室和氧化室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入氧化室，在涡轮分子泵作用下继续减压至10^-4pa，同时，启动低能氧离子源，在硅片上形成一层sio2薄膜，厚度为3nm，低能氧离子参数为：氧离子体能量范围:50ev，低能氧等离子体工作压强5*10^-2pa，射频频率13.56mhz,氧低能离子源宽度100cm，硅片传输速度10m/s；

(5)打开氧化室和工艺室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入工艺室，工艺室在涡轮分子泵作用下保持气压为10^-4pa，通入氩气作为溅射沉积非晶硅薄膜的工艺气体，惰性气体压强为10^-2pa，工艺室内通过硅靶和气态掺杂源进行物理气相沉积，其中，磁控溅射靶面到工件的距离为150mm，磁控溅射工艺温度为300℃，沉积的厚度为200nm；

(6)打开工艺室和回火室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入回火室，回火室在涡轮分子泵作用下保持气压10^-4pa，硅片在回火室内先经过红外加热保持温度为300℃，然后经过紫外激光加热回火使其晶化，紫外激光的波长为300nm，回火温度为900℃；

(7)打开回火室和冷却室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入冷却室，冷却室在涡轮分子泵作用下保持气压为10^-4pa，硅片在冷却室内冷却至300℃；

(8)打开冷却室和出口缓冲室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口缓冲室，出口缓冲室在涡轮分子泵作用下逐渐升压至10^-2pa；

(9)打开出口缓冲室和出口室之间的真空隔离插板阀将载有硅片的石墨托盘送入出口室，在出口室的真空泵作用下逐渐升压至常压，最后开启第二翻板阀出料即可。