PECVD操作手册.docx

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PECVD操作手册

PECVD操作手册

操作手册

LPS1等离子体发射源

生产商：

Roth&RauAG

Gewerbering3

D-09337Hohenstein-ErnstthalOTWuestenbrand

Germany

1安全指示……………………………………………………………………………………………3

1.1介绍……………………………………………………………………………………………3

1.2安全标志………………………………………………………………………………………3

2描述…………………………………………………………………………………………………4

2.1概要……………………………………………………………………………………………4

2.2线型微波等离子体发射源类型……………………………………………………………5

2.3线型微波等离子体的产生………………………………………………………………………6

3技术数据……………………………………………………………………………………………9

3.1概要……………………………………………………………………………………………9

3.2性能……………………………………………………………………………………………10

3.3电气数据………………………………………………………………………………………10

3.4连接……………………………………………………………………………………………10

3.4.1气体连接…………………………………………………………………………………10

3.4.2水路连接…………………………………………………………………………………10

4组装…………………………………………………………………………………………………11

5设备维护……………………………………………………………………………………………12

5.1石英管的拆卸…………………………………………………………………………………13

5.2沉积罩的拆卸…………………………………………………………………………………15

5.3等离子体发射源的清洗………………………………………………………………………16

5.4沉积罩的替换…………………………………………………………………………………17

5.5玻璃石英管的替换……………………………………………………………………………17

5.6安全性能………………………………………………………………………………………21

6备配件…………………………………………………………………………………………………22

6.1介绍……………………………………………………………………………………………22

6.2备配件清单………………………………………………………………………………………22

7推荐备配件……………………………………………………………………………………………27

配图目录

图1：

线型微波的图解和部件图……………………………………………………………………………4

图2：

线型微波等离子体发射源的工作原理……………………………………………………………5

图3：

配备一个石英管的LPS1型微波等离子体发射源的典型断面图…………………………………5

图4：

线型微波等离子体产生的原理………………………………………………………………………6

图5：

以时间为函数的典型的脉冲微波…………………………………………………………………7

图6：

覆膜均匀性和沉积率的独立控制效果示意图………………………………………………………8

图7：

SiNA型LPS1等离子体发射源的尺寸图……………………………………………………………9

图8：

SiNA型LPS1线型等离子体发射源…………………………………………………………………11

图9：

SiNA系统中整合的小型微波发射头（MWhead）……………………………………………………13

图10：

在工作位置和维护位置配有铜质天线的小型微波发射头………………………………………13

图11：

完整的等离子体发射源（左图）和没有横向沉积罩的等离子体发射源（右图）………………14

图12：

卡口锁定机械装置…………………………………………………………………………………14

图13：

设备维护位置时的卡口锁定机械装置……………………………………………………………14

图14：

防护罩固定器专用的特殊工具（左图）设备维护和工艺操作时的位置………………………15

图15：

关闭的氨气吹淋喷头孔（左图）部分关闭的硅烷气体吹淋喷头孔（右图）……………………16

图16：

工艺反应仓仓壁上的微波发射头法兰接口………………………………………………………16

图17：

所有装配部件的正确顺序………………………………………………………………………17

图18：

铝质罩帽中的装配部件……………………………………………………………………………18

图19：

将石英管挤压进准备好的铝质罩帽……………………………………………………………18

图20：

完整的石英管的剖面图……………………………………………………………………………18

图21：

准备好的微波传送系统……………………………………………………………………………19

图22：

完整的微波传送系统……………………………………………………………………………19

图23：

带有环形封口的铝制罩帽………………………………………………………………………20

图24：

SiNA系统中卡口密封处作为气体泄露指示标志的SiO沉积层…………………………………20

配表目录

表1：

安全符号的描述………………………………………………………………………………………3

表2：

不同等离子体长度（0.1mbar）的Si3N4沉积所用的典型的微波功率（MW-Power）……………7

表3：

装配部件的功能表…………………………………………………………………………………17

表4：

石英玻璃管的规格…………………………………………………………………………………19

表5：

备配件清单……………………………………………………………………………………………22

表6：

补充的推荐备配件清单……………………………………………………………………………27

1

安全指示

1.1介绍

该手册包含了LPS1线型微波等离子体发射源的安装，操作和维护的指导。

在安装和调试LPS1之前请仔细阅读该手册。

1.2安全标志

警告!

这个标志表明有对人的生命和健康有明确的伤害和损伤的危险。

警告!

这个标志表明有微波辐射的风险

微波泄漏极限

根据最新的科学研究以及目前各个国家正在进行的调查总结，在正常的操作条件下，任何可与人接近的部件在5厘米距离之内的微波密度不得超过5毫瓦/平方厘米（5Mw/cm²）的强度。

50厘米以上的距离范围也不能超过这个极限值。

警告!

这个标志表明有热的表面

警告!

这个标志表明有电击的风险

注意安全！

佩戴安全护目镜！

注意安全！

穿着安全手套！

注意安全！

佩戴防护面具！

2

描述

2.1概要

由于电子空穴对再次结合而造成的硅片表面的缺陷被一层薄薄的氮化硅所覆盖（钝化）后可以增加太阳能电池的效率。

氮化硅层的硬度，化学稳定性和沉积作用过程中形成的反射指数梯度使其成为电池片的具有保护性能的减反射膜。

微波等离子体具有一些显著而突出的等离子体特性，如当离子和电子层低于10个电子伏特（eV）时的高带电性水平（highchargecarrierconcentrations），这种等离子十分适合于需要不能有明显离子冲击的薄膜沉积技术。

多晶硅电池片表面的等离子沉积的钝化的Si3N4层在离子冲击过程中不会引起表面的缺陷就是一个很好的例子。

原理上说，在大规模等离子生产中有四种方法介入等离子体。

（1）通过喇叭形天线传送微波至等离子体

（2）通过电介质窗将微波传送至等离子体

（3）通过一套λ/4天线将微波传送至等离子体

（4）通过同轴石英管将微波传送至等离子体

前三种方法在明确的本身的位置将微波传送至等离子体，因此相同性质下的大规模等离子体只能在距离微波输入很远的距离内观察。

同轴系统激活在石英管上的表面波，可以产生高度均匀的微波等离子体。

这样可以在几米范围内产生线型尺寸的大规模微波等离子体。

该优势技术应用在Roth&Rau公司的SiNA的in-line系列上，我公司使用的是LPS1型线型微波等离子体发射源。

图1：

线型微波的图解和部件图

（英文注释见第6章中的备配件清单）

2.2

线型微波等离子体发射源类型

图2表现的是一个典型的线型微波等离子体发射源，在科技文献中常被称为“二极等离子线”（Duo-Plasmaline），因为该发射源的两端各有一个微波发射器。

图2：

线型微波等离子体发射源的工作原理

宽度为100mm,长度达到1m（等离子体发射源的长度），这是这种等离子体的典型尺寸，就像图2所示，基片悬挂（或躺在上面——取决于所使用的系统）在载片器上经过等离子体并达到完美的均匀性。

安置2个或更多的线型等离子体发射源平行排列在一起可以还可以获得更高的沉积率。

然而，由于所需载片传送系统的特点，多等离子体发射源的宽度受到一定的限制，解决对于包含在石英管内的线型等离子体发射源的这个问题一个好的折衷方法可以在图3中显示出来。

图3：

配备一个石英管的LPS1型微波等离子体发射源的典型断面图

在科技文献中所描述的LPS1型等离子体发射源和“等离子体线”式发射源之间最大的区别是前者附加的磁力系统，这为发射源带来了两个方面的优势。

1）等离子体仓壁上所产生的电磁吸持（magneticconfinement）减少了带电的微粒（chargedparticle）而尽可能地增加了等离子体的磁通量。

2）尽管磁场的强度与ECR状态（87mT）有很大距离,但它还是大大增强和稳定了石英管外部的导体等离子体。

2.3

线型微波等离子体的产生

这些发射源产生均匀的线型等离子体的过程并不是表面上那么简单，如图4所示。

图4：

线型微波等离子体产生的原理

图4表现的是等离子体带电体密度（ChargeCarrierdensity）n（z）是如何取决于Z-方向（等离子体轴）中等离子体发射源两端输入微波功率的量。

首先，我们考虑当只有左微波发射器打开至微波功率P1位置时，会发现在等离子体密度n1（z）会产生微波密度的线性的衰减，那是因为沿着石英管方向会有微波功率的损耗。

同样的，在只有右微波发射器打开至微波功率P2位置时也会有同样的现象发生。

如果左右两个微波发射器同时打开，所产生的微波密度n（z）将是两个密度曲线之和。

现在让我们研究一下图4所示的情况。

单个微波发射器本身不能产生完全覆盖整个石英管长度的等离子曲线的，因此总的等离子曲线不均等同于两个等离子曲线之和。

如图4a）所示，P1+P2

两端的微波功率必须持续增加直到达到图4b）中所示的情况（P1+P2

而如果两端的微波功率继续增加将会导致微波系统中产生更多过量的微波。

因此，输入的微波功率是由所选择的工艺气体和石英管的长度决定的，表2总结了所需的微波功率（见峰值功率，Ppeak）

I=400-600mm

I=600-800mm

I=800-1000mm

微波峰值功率（kW）

2.2

2.9

3.5

平均微波功率（kW）

1.1

1.5

1.8

允许最高平均微波功率（kW）

2.0

2.5

3.0

表2：

不同等离子体长度（0.1mbar）的Si3N4沉积所用的典型的微波功率（MW-Power）

根据表2所示，1米长的线型等离子体发射源两端各需要最高将近4kW的微波功率，然而这大大超过了一个石英管所能允许的最大微波功率的值（石英管会有热变形的风险）。

为了解决这个问题，我们应用了微波脉冲（pulsedmicrowaves）的概念，图5显示了新型的MUEGGE电子公司（德国）发明的新型的微波发射器所产生的典型的脉冲式微波。

图5：

以时间为函数的典型的脉冲微波

等离子体打开的时间以ton表示，关闭的时间以toff表示，由于这些时间均可以毫秒计算，因此可以产生1Hz到1000Hz之间的脉冲频率。

而典型的脉冲频率为50Hz或100Hz。

微波峰值功率Ppeak的计算值是在产生一个均等的等离子体的效果下特定的值（见图4的讨论）。

为了控制沉积率，微波功率的平均值可以根据不同的脉冲时间而变化。

此外，通过这个方法可以保证在相对较高的峰值功率水平下，微波功率的平均值可以保持在石英管发热极限之下。

公式2就说明对应的微波功率的平均值。

图6表现了该效果。

图6左边的图表现了的以下情况下沿着发射源轴向的Si3N4的曲线分布：

Ppeak=2×800W,相关于图4a），（P1+P2

Ppeak=2×1600W,相关于图4b），（P1+P2=Popt）

当处于最优化的微波功率的平均值，即2×1600W，之时，就能达到均匀的等离子沉积。

图6右边的图显示了在给定的条件下，即50Hz的频率下，如何通过改变微波脉冲的长度来控制沉积率。

（左图：

以Si3N4层薄膜厚度的曲线分布函数的微波峰值功率）

（右图：

以Si3N4沉积率为函数的平均微波功率，50Hz条件下）

图6：

覆膜均匀性和沉积率的独立控制效果示意图

3

技术数据

3.1概要

SiNA系列的LPS1:

尺寸：

1163x237x184mm

重量：

大约32kg

建议冷却水流量：

2.6lmin¯1（进水温度为20ºC）

建议冷却水压力：

5-6bar

图7：

SiNA型LPS1等离子体发射源的尺寸图

3.2性能

SiNA系列的LPS1:

沉积长度：

（取决于所使用的等离子体发射源）600mm

沉积宽度：

（取决于所使用的工艺参数）200mm

沉积率：

（取决于所使用的工艺参数）18-45nm/min

工艺操作压力：

（取决于所使用的工艺参数）0.08-0.4mbar

3.3电气数据

微波发射器（MW）的额定功率：

4kW（脉冲）或2kW（直流）

微波发射器（MW）的额定电压：

400V（功率），220V（控制）

3.4连接

3.4.1气体连接

工艺气体

硅烷（SiH4）接头套管式气体管道连接（¼英寸直径）

氨气（NH3）接头套管式气体管道连接（¼英寸直径）

3.4.2水连接

冷却水

进水接头套管式水管连接（8mm直径）

出水接头套管式水管连接（8mm直径）

4

组装

图8显示的是LPS1（SiNA系列的线型等离子体发射源，LinearPlasmaSourceSiNAM）的基本结构。

沉积罩

前沉积罩

冷却水供应（进水口）

冷却水供应（出水口）

气体供应（氨气）

气体供应（硅烷）

气体供应（硅烷）

硅烷气体吹淋头

冷却水系统

磁力系统

图8：

SiNA型LPS1线型等离子体发射源

5

设备维护

开始设备维护之前，停止设备运转并关闭加热器。

开始设备维护之前，关闭所有微波部件和系统。

在打开反应仓，开始设备维护之前，让所有加热部件冷却。

打开真空仓时，小心从加热部件或其他涂敷有Si3N4材料部件上由于压力释放有可能突然喷射的物质。

因此须佩戴安全护目镜

当进行设备维护时佩戴适当的防护手套以防止被热的部件烫伤或被破碎的石英管割伤。

5.1

石英管的拆卸

工艺反应时间（或沉积反应时间）之后，一层1——2mm厚的氮化硅层（SiN）在硅片表面生长出来，由此改变了耦合条件和沉积性能（沉积率降低）

我们建议在30——40小时后更换石英管，玻璃石英管的拆卸按照如下步骤：

（1）将微波发射头上相关的盖子拆开

图9：

SiNA系统中整合的小型微波发射头（MWhead）

（2）将微波连接器一端的铜质天线向外拔出80mm后即可挪开该天线（见图10的右图）

图10：

在工作位置和维护位置配有铜质天线的小型微波发射头

（3）

将横向的沉积罩向上移开

图11：

完整的等离子体发射源（左图）和没有横向沉积罩的等离子体发射源（右图）

（4）顺时针方向打开快速释放卡口锁定装置（使用特殊的工具——见等离子体发射源操作手册）

卡口锁定机械装置

（5）将卡口锁定装置拉出夹口（法兰盘）

图13：

设备维护位置时的卡口锁定机械装置

（6）向上取出石英管部件（带有全部的附属部件）

5.2沉积罩的拆卸

有时当等离子体发射源的沉积罩严重污染时，为了更换相关的沉积罩或拆卸加以清洗（使用混合了异丙醇C3H7OH的喷沙&超声波清洗）。

以下的步骤显示了如何拆卸沉积罩

（1）使用真空吸尘器将所有微粒清除干净

（2）使用特殊的工具将沉积罩的固定器旋转90度（这种方法下的沉积罩的固定器和固定槽是上下位置的）

图14：

防护罩固定器专用的特殊工具（左图）设备维护和工艺操作时的位置

（3）向上拆开沉积罩

（4）清洗或更换新的沉积罩，（见等离子体发射源操作手册之备配件）

（注意！

清洗沉积罩时所选择的喷沙压力要适中，不得使沉积罩发生弯曲。

）

（5）之后，使用抹布和异丙醇清除所有的微粒

5.3

等离子体发射源的清洗

等离子体发射源需要定期维护，特别是出气口的气孔会附着物质。

以下步骤显示如何清洗等离子体发射源和气体吹淋口。

（1）使用真空吸尘器将所有微粒清除干净

（2）使用金属线刷或砂纸清洗严重污染的不能拆卸的部件，使用真空吸尘器清除过程中产生的灰尘。

（3）每天检查气体吹淋口所有的气孔（1mm直径）是否通畅，如果有堵塞，使用1mm的钻孔机或针头刺透气孔。

（4）如果情况较为严重，需要松开气体吹淋头的固定螺丝将其拆卸，气体连接部分另外清洗或加以更换。

图15：

关闭的氨气吹淋喷头孔（左图）部分关闭的硅烷气体吹淋喷头孔（右图）

（5）之后，使用真空吸尘器清洗气体吹淋口

（6）将气体吹淋头末端的M6螺丝打开

（7）从外向内用压缩气体将气体吹淋头内部的灰尘吹出或者从内向外用纯氮气吹出灰尘

（8）使用真空吸尘器清洗一侧的表面法兰盘并用抹布和异丙醇密封表面

（注意！

卡口锁定连接器和法兰盘之间的尺寸咬合公差只有0.1—0.2mm。

）

（9）如果层从卡口锁定架或横向工艺仓罩上脱落将会导致擦伤和损伤卡口锁定装置和法兰盘

图16：

工艺反应仓仓壁上的微波发射头法兰接口

5.4

沉积罩的替换

替换新的或清洗过的沉积罩的步骤与5.2中拆卸沉积罩的步骤相反。

5.5玻璃石英管的替换

替换玻璃石英管需要按照以下步骤拆卸多个密封件和固定件，将它们按照正确的顺序安装在新的石英管（规格见表4）上。

图17：

所有装配部件的正确顺序

表3列出的是所有附件的功能

部件

描述

功能

A

卡口锁定式机械装置

快速释放装置，将力传到至密封套件

B

铝制环型止推轴ThrustCollar

保持卡口锁定装置向密封套件传送的力比较均衡一致

C

聚四氟乙烯PTFEThrustCollar

当卡口锁定装置旋转时防止扭矩力传送到石英管上引起扭曲

D

聚氯丁橡胶VitonO型密封圈

真空密封

E

聚四氟乙烯PTFE环型止推轴ThrustCollar

当卡口锁定装置旋转时防止扭矩力传送到石英管上引起扭曲

F

聚氯丁橡胶VitonO型密封圈

真空密封

G

玻璃石英管

向外传送微波能量

H

铜质内导轴

微波导体

I

聚四氟乙烯PTFE托盘

固定铜质内导轴

（注意，提供两种不同厚度的托盘以供不同长度的玻璃石英管使用）

K

铜罩

将所有部件罩住

L

聚氯丁橡胶VitonO型密封圈

真空密封

表3：

装配部件的功能表

（1）检查所有密封件是否适合真空操作（如果需要替换备配件）

（2）清洗后将所列出的部件插入铜罩中

图18：

铝质罩帽中的装配部件

（3）用异丙醇将石英管推入准备好的罩中

图19：

将石英管挤压进准备好的铝质罩帽

（4）将铜质内导轴插入并定位于聚四氟乙烯PTFE托盘的中心位置（PTFE托盘对于确保铜质内导轴在石英管内的中央位置是十分必要的）

图20：

完整的石英管的剖面图

（5）

将卡口锁定装置滑入石英管

图21：

准备好的微波传送系统

（6）用异丙醇将石英管的另一端推入准备好的另一个铝制的罩帽中，同时将铜质内导轴插入并定位于另外一个聚四氟乙烯PTFE托盘的中心位置

图22：

完整的微波传送系统

表5列出的是推荐的石英管的规格

材料成分

100%SiO2

材料要求

低OH¯成分

无细微裂纹和气泡

处理

消除应力回火处理

管口火焰抛光

管子尺寸

长度SiNA=1130mm（公差：

±0.5mm）

外径=30mm（公差：

±0.5mm）

内径=26mm（公差：

±0.5mm）

表4：

石英玻璃管的规格

（7）按照5.1所描述相反的步骤安装玻璃石英管

（8）检查铝制罩帽端的法兰盘（23A）是否密封能够适应真空操作（如果需要就更换部件），并使用异丙醇清洗需要清洗的密封件。

图23：

带有环形封口的铝制罩帽

如果在等离子反应仓的仓壁上出现白色的氮化硅沉积寄生物就说明出现了严重的泄露，图24显示的是SiNA系列中出现的泄露案例。

图24：

SiNA系统中卡口密封处作为气体泄露指示标志的SiO沉积层

5.6

安全性能

微波辐射是一种电磁辐射，是由位于微波发射头MH2000S（MW）中的磁电管产生的。

如果你的微波发射源在设备中没有妥善地密封好，就会有微波泄露的危险。

这有可能危及你的身体健康。

微波泄露极限

根据现代科学的知识和目前各个国家的调查研究结果总结，在正常的操作条件下，任何可与人接近的部件在0.05米距离之内的微波密度不得超过50毫瓦/平方米（5Mw/cm²）的强度。

同时在“特殊操作”的标志下，任何可与人接近的部件在0.05米距离之内的微波密度不得超过100毫瓦/平方米（100Mw/m²）的强度。

0.05米以上的距离范围也不能超过这个极限值。

因此我们推荐定期地使用微波泄露探测器检查微波发射的辐射情况。

警告！

请阅读以下的安全操作说明，否则有可能导致对设备的损坏或操作者的人身安全的威胁！

该设备只能由经过训练的操作者操作！

开始工作之前请检查所有需要的部件都存在并且都是正确的型号！

安装结束后和每次设备维护后对设备进行微波泄露检测以防止系统产生危险的微波辐射。

（阅读第一章的安全操作手册，以及微波发生器生产商另外提供的操作手册！

）

6

备配件

6.1介绍

当你