技术领域
[0001] 本
发明属于光伏材料制备领域，具体涉及一种管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法。
背景技术
[0002]
能源问题逐渐成为制约全球社会经济发展的主要因素。
太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源。非晶硅/晶硅
异质结太阳能电池因其高转换效率、结构相对简单、工艺流程少、低温低能耗、
温度系数小等特点，备受国际上许多国家的关注，具有广泛的市场前景。最早由日本三洋公司提出的HIT非晶硅/晶硅
异质结太阳能电池主要由
电极、
氧化透明导电层、本征非晶硅薄膜层、掺杂非晶硅薄膜层组成。
[0003] PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是等离子增强
化学气相沉积技术的简称，是目前制备本征非晶硅薄膜/掺杂非晶硅薄膜的一种主要技术。它是利用
辉光放电等离子体使SiH4等气源分子分解，从而实现非晶硅薄膜的制备。其原理是：反应气体中的
电子在外
电场中
加速获得
能量与反应气体发生初级反应，使得气体分子电离分解，从而形成等离子体。等离子体中大量的化学活性的离子、中性
原子和分子生成物向薄膜生长表面输运，同时互相之间发生次级反应。到达薄膜生长表面的各种初级反应产物和次级反应产物被衬底
吸附，并与表面发生反应，同时其他产物释放出去，最终形成薄膜。
[0004] 非晶硅/晶硅异质结太阳能电池因其高转换效率、结构相对简单、工艺流程少、低温低能耗、温度系数小等特点，备受国际上许多国家的关注，具有广泛的市场前景。但因其制备成本一直居高不下，在市场化推广方面不占优势。目前市场上制备非晶硅薄膜的PECVD设备均为板式结构，主要分为：团簇式PECVD设备、链式PECVD设备和U式PECVD设备。链式PECVD设备占地面积最大，每次只能处理较小面积的
硅片；团簇式PECVD设备占地面积其次，一次能处理多硅片，但对各腔体之间的传输系统要求高；U式PECVD设备综合了链式和团簇式的特点，但该三种板式PECVD设备占地面积均高于管式PECVD设备，且制造成本一直居高不下，不利于市场化推广。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是针对
现有技术的不足，提供一种设备成本低、占地面积小，生产产能高、经济效应好的管式PECVD设备上制备非晶硅薄膜的方法，本发明的方法同时实现了本征非晶硅层和掺杂非晶硅层的制备，减少了异质结制备所需的工艺腔和工艺步骤；相比于现有的非晶硅薄膜的制备方法，大大降低了设备的制造成本，且该类设备较现有生产设备占地面积小，生产产能提高，具有可观的经济效益。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，包括如下步骤：
S1、将装载有
单晶硅片的
石墨载具置于管式PECVD设备的炉管中，抽
真空，将炉管恒温至200±50℃；
S2、往炉管中通入NH3或SiH4和N2O的混合气体，开启30kHz～50MHz电源，对单晶硅片进行前处理；
S3、往炉管中通入SiH4和H2，开启30kHz～50MHz电源，在经所述前处理的单晶硅片上沉积第一层本征非晶硅薄膜；
S4、往炉管中通入SiH4、H2和PH3，开启30kHz～50MHz电源，在所述第一层本征非晶硅薄膜上沉积掺磷N型氢化非晶硅薄膜；
S5、取出石墨载具，将单晶硅片进行翻面后置于另一个石墨载具，并将装载翻面后单晶硅片的石墨载具置于管式PECVD设备的另一个炉管中，抽真空，将炉管恒温至200±50℃；
S6、往炉管中通入SiH4和H2，开启30kHz～50MHz电源，在单晶硅片背面上沉积第二层本征非晶硅薄膜；
S7、往炉管中通入SiH4、H2和BH3或B2H6，开启30kHz～50MHz电源，在所述第二层本征非晶硅薄膜上沉积掺
硼P型氢化非晶硅薄膜。
[0007] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述步骤S2中，当通入SiH4与N2O时，所述前处理的条件为：所述SiH4与N2O的流量比为1∶（10～15）；功率为5000W～8000W，温度为200±50℃，炉管内压
力为150Pa～230Pa，时间为15s～50s；
当通入NH3时，所述前处理的条件为：NH3流量为2000sccm～8000sccm；功率为5000W～
8000W，温度为200±50℃，炉管内压力为150 Pa～230Pa，时间为15s～50s。
[0008] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述步骤S3中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4与H2的流量比为1∶（1～5）；功率为200W～20kW，
温度控制为200±50℃，炉管内压力为10 Pa～250Pa；所述第一层本征非晶硅薄膜的厚度为1～10nm。
[0009] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述步骤S4中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4、H2与PH3的流量比为1∶(1～5) ∶(0.1～0.5)；功率为200W～20kW，温度控制为200±50℃，炉管内压力为10 Pa～250Pa；所述掺磷N型氢化非晶硅薄膜的厚度为5～20 nm。
[0010] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述步骤S6中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4与H2的流量比为1∶（1～5）；功率为200W～20kW，温度为200±50℃，炉管内压力为10 Pa～250Pa；所述第二层本征非晶硅薄膜的厚度为1～10nm。
[0011] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述步骤S7中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4、H2与BH3或B2H6的流量比为1∶(1～5) ∶(0.1～0.5)；功率为200W～20kW，温度控制为200±50℃，炉管内压力为10 Pa～250Pa；所述掺硼P型氢化非晶硅薄膜的厚度为5～20 nm。
[0012] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述单晶硅片为双面制绒或
正面制绒背面
抛光的N型或P型直拉单晶硅片。
[0013] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述单晶硅片为（100）、（110）或（111）单晶硅片；所述单晶硅片的厚度为150±50μm；所述单晶硅片的
电阻率为0.5～10Ω·cm。
[0014] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述步骤S3中，在通入SiH4和H2前，还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空；所述步骤S4中，在通入SiH4、H2和PH3前，还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空；
所述步骤S7中，在通入SiH4和H2前，还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空。
[0015] 上述的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，优选地，所述石墨载具内壁
镀有SiCx、SiNx或氢化非晶硅膜。
[0016] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的方法通过利用管式PECVD设备并改良工艺流程和工艺参数即可实现异质结电池中非晶硅薄膜的制备，工艺方法简单可行，不仅有利于提高旧产线或旧设备的利用率，同时还具有设备投资成本低、维护
频率低、制备成本低、占地面积少等优点，对于实现异质结电池的广泛应用具有十分重要的意义。
[0017] 本发明用现有成熟的管式PECVD设备实现本征非晶硅层和掺杂非晶硅层的同时制备，制备的本征非晶硅薄膜/掺杂非晶硅薄膜可应用不局限于在非晶硅/晶体硅异质结电池（SHJ），减少了异质结制备所需的工艺腔和工艺步骤，提高了设备产能。
具体实施方式
[0018] 以下结合具体优选的
实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0019] 一种本发明的管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，实验中采用的衬底为厚度150±50μm，电阻率0.5～10Ω·cm，晶向为(100)、（110）或（111），双面制绒或正面制绒背面抛光的N型或P型直拉单晶硅片，包括如下步骤：
S1、将装载有单晶硅片的石墨载具置于管式PECVD设备的炉管中，抽真空，将炉管恒温至200±50℃；
S2、往炉管中通入NH3或SiH4和N2O的混合气体，开启30kHz～50MHz电源，对单晶硅片进行前处理；
S3、往炉管中通入SiH4和H2，开启30kHz～50MHz电源，在经前处理后的单晶硅片上沉积第一层本征非晶硅薄膜；
S4、往炉管中通入SiH4、H2和PH3，开启30kHz～50MHz电源，在所述第一层本征非晶硅薄膜上沉积掺磷N型氢化非晶硅薄膜；
S5、取出石墨载具，将石墨载具中的单晶硅片进行翻面后置于另一个石墨载具，并将装载翻面后的单晶硅片的石墨载具置于管式PECVD设备的另一个炉管中，抽真空，将炉管恒温至200±50℃；
S6、往炉管中通入SiH4和H2，开启30kHz～50MHz电源，在单晶硅片背面上沉积第二层本征非晶硅薄膜；
S7、往炉管中通入SiH4、H2、和BH3或B2H6，开启30kHz～50MHz电源，在所述第二层本征非晶硅薄膜上沉积掺硼P型氢化非晶硅薄膜。
[0020] 本发明步骤S5中，不同膜层沉积采用不同炉管可防止交叉污染，但本征非晶硅层和掺磷N型氢化非晶硅层，本征非晶硅层和掺硼P型氢化非晶硅薄膜可以在同一炉管完成。
[0021] 本发明中，可以采用中频、高频和甚高频频率，沉积本征非晶硅薄膜/掺杂非晶硅薄膜时中频率射频、高频率射频、甚高频频率的功率均在200W～20kW，优选200W～15kW。
[0022] 所述步骤S2中，当通入SiH4与N2O时，所述前处理的条件为：所述SiH4与N2O的流量为1∶（10～15），功率为5000W～8000W，温度为200±50℃，炉管内压力为150Pa～230Pa，时间为15s～50s；当通入NH3时，所述前处理的条件为：NH3流量控制在2000sccm～8000sccm，功率为
5000W～8000W，温度为200±50℃，炉管内压力为150Pa～230Pa，时间为15s～50s。
[0023] 所述步骤S3中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4与H2的流量比为1∶（1～5），功率为200W～20kW，温度控制为200±50℃，炉管内压力为10Pa～250Pa；所述第一层本征非晶硅薄膜的厚度为1～10nm。
[0024] 所述步骤S4中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4、H2与PH3的流量比为1∶(1～5) ∶(0.1～0.5)，功率为200W～20kW，温度控制为200±50℃，炉管内压力为10Pa～250Pa；所述掺磷N型氢化非晶硅薄膜的厚度为5～20 nm。
[0025] 所述步骤S6中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4与H2的流量比为1∶（1～5），功率为200W～20kW，温度为200±50℃，炉管内压力为10Pa～250Pa；所述第二层本征非晶硅薄膜的厚度为1～10nm。
[0026] 所述步骤S7中，所述沉积的工艺参数为：所述SiH4、H2与BH3或B2H6的流量比为1∶(1～5) ∶(0.1～0.5)，功率为200W～20kW，温度控制为200±50℃，炉管内压力为10Pa～250Pa；所述掺硼P型氢化非晶硅薄膜的厚度为5～20 nm。
[0027] 所述步骤S3中，在通入SiH4和H2前，还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空；所述步骤S4中，在通入SiH4、H2和PH3前，还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空；
所述步骤S7中，在通入SiH4和H2前，还包括对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫和抽真空。
[0028]
发明人发现，管式PECVD制备本征非晶硅/掺杂非晶硅工艺过程中，需用插片机对硅片从石墨载具中进行多次插取动作，对硅片表面与石墨载具的多次摩擦，将影响
镀膜的
钝化效果。
[0029] 本发明经研究发现，通过工艺气体对石墨载具内部镀SiCx、SiNx、a-Si:H（氢化非晶硅）等膜，可减小摩擦的影响。具体可以采用以下三种方式对石墨舟进行饱和，炉管工艺次数70～80次左右，会先清洗一次石墨舟，再进行饱和。工艺前，对未装载硅片的石墨舟放入炉管中进行饱和，可降低硅片表面与石墨舟载具之间摩擦影响，提高硅片表面镀膜钝化效果。
[0030] 具体任选的饱和的三种工艺如下：镀SiCx膜的关键的工艺参数为：往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和CH4，SiH4和CH4的流量比例控制在1∶（10～15），开启中频电源，功率控制在7000W～14000W之间，温度控制在400±100℃，压力控制在150～250Pa，对石墨舟进行饱和，时间70～140min。
[0031] 镀SiNx膜的关键的工艺参数为：往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和NH3，SiH4和NH3的流量比例控制在1∶（10～15），开启中频电源，功率控制在7000W～14000W之间，温度控制在400±100℃，压力控制在150～250Pa，对石墨舟进行饱和，时间70～140min。
[0032] 镀a-Si:H膜的关键的工艺参数为：往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和H2，SiH4和H2的流量比例控制在1∶（1～5），开启中频电源，功率控制在200W～20kW之间，温度控制在200±50℃，压力控制在150～250Pa，对石墨舟进行饱和，时间70～140min。
[0033] 优选地，所述石墨载具内壁
覆盖有SiCx、SiNx或a-Si:H（氢化非晶硅）膜。
[0034] 以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
[0035] 实施例1一种利用管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，包括以下步骤：
（1）将完成清洗制绒工序的N型单晶硅片用石墨舟装载，送入管式PECVD设备的炉管中，抽真空、恒温至温度为200℃、检漏工艺步骤。
[0036] （2）步骤（1）完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和N2O，SiH4与N2O的流量为1∶10，开启中频电源，对硅片进行前处理。前处理的工艺条件为：SiH4流量控制在100sccm，N2O流量控制在1000sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，中频频率为40kHz，功率为7000W，时间为50s。本发明中，在非晶硅薄膜沉积前进行前处理，旨在清洁硅片表面，降低界面隙态
密度，有效提高界面
质量，为非晶硅薄膜沉积提供良好的衬底。
[0037] （3）步骤（2）完成后，对管式PECVD设备依次进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空残余反应气体，清洁硅片表面。
[0038] （4）步骤（3）完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和H2，SiH4∶H2=1∶1，开启中频电源，在经前处理后的单晶硅片表面沉积第一层本征非晶硅薄膜，厚度为5 nm。沉积本征非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，中频频率为40kHz，功率为10kW，时间为50s。
[0039] （5）步骤（4）完成后，进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空残余反应气体，清洁硅片表面，避免产生交叉污染。然后往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4、H2和PH3，SiH4∶H2∶PH3=1∶1∶0.1，开启中频电源，在步骤（4）中第一层本征非晶硅薄膜上沉积掺磷N型氢化非晶硅薄膜，厚度为10nm。沉积掺磷N型氢化非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，PH3流量200sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，中频频率为40kHz，功率为10kW，时间为100s。
[0040] （6）步骤（5）完成后，取出石墨舟，将石墨舟中的硅片进行翻面后置于另一个石墨舟，并将装载翻面后的硅片的石墨舟置于管式PECVD设备的另一个炉管中，抽真空，将炉管恒温至200±50℃，检漏工艺步骤；（7）步骤（6）完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和H2，SiH4∶H2=1∶1开启中频电源，在翻面后的单晶硅片表面沉积第二层本征非晶硅薄膜，厚度为5 nm。沉积本征非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，中频频率为40kHz，功率为10kW，时间为50s。
[0041] （8）步骤（7）完成后，对管式PECVD设备进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空残余反应气体，避免产生交叉污染。然后往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4、H2和B2H6，SiH4∶H2∶B2H6=1∶1∶0.1，开启中频电源，在在步骤（7）制备的第二层本征非晶硅薄膜上沉积掺硼P型氢化非晶硅薄膜，厚度为10nm。沉积掺硼P型氢化非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，B2H6流量200sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，中频频率为
40kHz，功率10kW，时间为100s。
[0042] 实施例2：一种利用管式PECVD设备制备非晶硅薄膜的方法，包括以下步骤：
（1）将完成清洗制绒工序的P型单晶硅片用石墨舟装载，送入管式PECVD设备的炉管中，抽真空、恒温至温度为200℃、检漏工艺步骤。
[0043] （2）步骤（1）完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入NH3，开启高频电源，对硅片进行前处理。前处理的工艺条件为：NH3流量控制在6000sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，高频频率为13.56MHz，功率5000W，前处理的时间为15s。本发明中，在非晶硅薄膜沉积前进行前处理，旨在清洁硅片表面，降低界面隙态密度，有效提高界面质量，为非晶硅薄膜沉积提供良好的衬底。
[0044] （3）步骤（2）完成后，对管式PECVD设备进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空炉管内的残余反应气体，清洁硅片表面。
[0045] （4）步骤（3）完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和H2，SiH4∶H2=1∶1开启高频电源，在经前处理后的单晶硅片表面沉积第一层本征非晶硅薄膜，厚度为5 nm。沉积本征非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，高频频率为13.56MHz，功率5000W，时间为50s。
[0046] （5）步骤（4）完成后，进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空残余反应气体，清洁硅片表面，避免产生交叉污染。然后往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4、H2和PH3，SiH4∶H2∶PH3=1∶1∶0.1，开启高频电源，在步骤（4）中第一层本征非晶硅薄膜上沉积掺磷N型氢化非晶硅薄膜，厚度为10nm。沉积掺磷N型氢化非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，PH3流量200sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，高频频率为13.56MHz，功率
5000W，时间为100s。
[0047] （6）步骤（5）完成后，取出石墨舟，将石墨舟中的硅片进行翻面后置于另一个石墨舟，并将装载翻面后硅片的石墨舟置于管式PECVD设备的另一个炉管中，抽真空，将炉管恒温至200±50℃，检漏。本步骤中，不同膜层沉积采用不同炉管可防止交叉污染，但本征非晶硅层和N型氢化非晶硅层、本征非晶硅层和掺硼P型氢化非晶硅薄膜可以在同一炉管完成。
[0048] （7）步骤（6）完成后，往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4和H2，SiH4∶H2=1∶1开启高频电源，在翻面后的单晶硅片表面沉积第二层本征非晶硅薄膜，厚度为5 nm。沉积本征非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，高频频率为13.56MHz，功率5000W，时间为50s。
[0049] （8）步骤（7）完成后，对管式PECVD设备进行抽真空、N2吹扫、抽真空，旨在抽空残余反应气体，避免产生交叉污染。然后往管式PECVD设备的炉管中通入SiH4、H2和B2H6，SiH4∶H2∶B2H6=1∶1∶0.1，开启高频电源，在步骤（7）制备的第二层本征非晶硅薄膜上沉积掺硼P型氢化非晶硅薄膜，厚度为10nm。沉积掺硼P型氢化非晶硅薄膜的工艺条件为：SiH4流量2000sccm，H2流量2000sccm，B2H6流量200sccm，炉管内压力200Pa，温度200℃，高频频率为13.56MHz，功率5000W，时间为100s。
[0050] 对比管式PECVD设备与板式PECVD设备的投资成本，维护频率、稼动率和占地面积数据，如下表1所示。
[0051] 表1 管式PECVD设备与板式PECVD设备投资成本、维护频率和占地面积对比设备 投资成本 维护频率 稼动率 占地面积管式PECVD 35% 60天 98% 85%
板式PECVD 100% 10天 92% 100%
由表1可知，本发明的方法具有设备投资成本低、维护频率低、占地面积小等优点，对于高效、低成本地实现异质结电池的广泛应用具有十分重要的意义。
[0052] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或
修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
