CN104465370A - 快速升温处理过程升温及降温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜(Cu)铟(In)镓(Ga)硒(Se)太阳能电池样片在快速升温热处理过程当中，升温,降温控制的方法及其设定方法，属于半导体材料热处理制造技术领域。本发明通过利用控制卤钨灯的点，灭时间(即通过设定程序控制升温，降温的时间和维持时间长短)，从而控制真空加热室内的温度升温，降温速度。通过该方法，突破RTP处理过程升温可控，而降温过程控制单一的限制，能够简单的实现升温和慢速降温的多样化热处理工艺。

Description

快速升温处理过程升温及降温控制方法

技术领域

本发明属于半导体材料热处理制造技术领域。涉及到快速热处理(Rapid thermal process,RTP)过程的升温，降温温控方法，特别是低速降温过程的降温速度的控制和设定方法。

背景技术

1 在半导体的制造工艺中，氧化，氮化和退火热处理过程(离子注入，掺杂，扩散)，经常利用RTP快速热处理方法。这主要是因为RTP设备对热处理过程中温度控制准确，升温快，热耗小等优点决定的。

2 CIGS薄膜太阳能电池具有高效，低成本，重量轻，易安装，环保的特点，是本世纪最有前景的绿色能源供给材料之一。由IBM和Nanosolar研究开发的非真空，溶液法制备薄膜太阳能技术，不仅大幅度简化了制作工艺，还为印刷式制备太阳能电池的商品化提供了可能。其中利用溶液旋涂，喷涂的方法，制备的CIGS功能层，需要进行严格的热处理工艺控制，来提高CIGS的结晶性，和释放在结晶过程而产生的内部应力。因此RTP热处理工艺条件的控制至关重要。

3 现在使用RTP装置(RTP-500)真空加热舱，如图1所示。CIGS样片(玻璃底衬6,CIGS层7)放在托盘3上，关闭加热舱舱门。抽真空后，利用卤钨灯1的照射及反光板2的反射对样片进行加热。加热舱舱壁5和3托盘为石英材质，托盘上面有石墨片。石墨片承载CIGS样片。加热过程当中，热电偶4接触石墨片，即时测量样片的温度，反馈给装置控制系统。

4 热处理过程基本包括：升温热处理，恒温热处理和降温热处理3个阶段。本实验RTP装置升温速率在0.01-180℃/s范围内可调，加热温度范围在150℃-1300℃内，温度控制误差在±2℃以内，由于升温和恒温参数精度较高，基本上不需要用分段升温来调节。但现有RTP 设备对降温过程不可控，只有一种自然冷却的方式降温。多样化的热处理降温条件是实现艺优化的前提，因此降温温控问题的解决至关重要。

发明内容

1 本发明的目的在于通过分段升温、分段降温，控制升温和降温速度，实现多样化热处理工艺。特别是慢速降温热处理工艺。

2 为实现以上目的，本发明提出以下方案：

根据本发明，提供了一种快速热处理工艺中，控制升温和降温速度的方法。即将温度变化过程进行分段，在每个过程中通过改变升温，降温时间和温度维持时间长短，控制温度变化速度。

3 本发明在升温速度控制较好RTP升温热处理过程优势不明显。主要应用在慢速降温过程。

4 利用RTP操作装置和处理相同的样片，通过自然降温过程，总结降温曲线。并根据该曲线推算该装置系统的高温阶段的降温速度。

5 具体地，所述使用玻璃底衬的CIGS样片的高温降温过程在300-500℃，当所需降温速度＜0.4℃/s时，应用该方法能够得到较为理想的结果。

6 根据实际要求，将降温过程控制分成若干降温阶段。阶段数越高，与理想降温直线拟合程度越好，偏差越少。

7 降温时间和温度维持时间长短的控制通过程序设定。设定数值根据参考具体实施方式第6项。

8 本专利的技术效果是，利用分段式温控的方法，丰富了RTP装置本身对温度控制的范围，实现了热处理工艺多样性。相对于硬件改进，本方法实施简单，无成本。

附图说明

图1RTP-500加热装置简易图。

图中1卤钨灯，2反光板，3石墨托盘，4热电偶，5加热舱，6玻璃衬底，7CIGS薄膜。

图2热处理降温过程：自然降温和温控降温曲线。

图3降温过程细节示意图。

具体实施方式

1 下面结合附图和实例，对本发明的目的和执行方法进行详细介绍。意在加深对本发明的了解。以下实例不可视为本发明温控方法的全部或者视为对本发明的温控方法技术的限定和限制。

2 本工作使用RTP热处理工艺装置在降温过程中，加热舱的冷却时利用风冷方式。由于风冷的不可调节性，决定了该样片和装置本身唯一的降温方式-自然形式降温。正因如此，限制里热处理工艺的优化工作。针对该问题，该发明利用控制卤钨灯的照射和装置系统本身的降温相结合，完成对样片的降温速度的控制。

3 如图2所示。降温曲线1对样片进行加热580℃后，样片的自然降温曲线。2和3是我们将降温过程分成若干小段，在每个阶段通过控制调节降温时间和维持温度时间，得到的实际降温曲线，或者说是降温的拟合直线。降温速率得到了降低。降温曲线2的降温速度是0.3℃/s，降温曲线3的降温速率0.2℃/s。降温曲线3的设定程序中，降温时间为10s，维持温度的时间为24s。

4 由图2，可以看到在580℃到300℃过程中，通过人为调节，较好的控制了样片降温速度，使降温过程较好的拟合了降温直线。

5 比较图2中的降温曲线2和3，可以发现曲线2更加接近直线降温，因此可以通过增加分 段降温的段数，提高降温直线的拟合程度。拟合程度可以根据实际情况而定。

6 图3是降温过程的分解示意图，比如在高温T1和低温T2间模拟降温速度为K℃/s的降温直线。

降温时间t＝(T1-T2)/K。  (1)

根据实际情况，设定该降温过程分为n段执行，则每段降温ΔT：

ΔT＝(T1-T2)/n  (2)

每段降温时间Δt＝t/n＝t1+t2，(3)在这里，t1是降温时间，t2保持温度时间。

假设该装置的该温度段降温速度一定，为k℃/s，则降温时间t1表示为：

t1＝ΔT/k  (4)

综合以上关系，可根据实际情况大致推算出降温时间t1和保持时间t2：

t1＝tk/n(2k-K)

t2＝t(k-K)/n(2k-K)

7从图2中可以看到，在高温阶段，自然降温速度较快，该阶段不能够利用本方法实现快于自然降温速率的降温。当温度降到一定程度，自然降温速度会逐渐减慢(比如实例中300℃前后)，自然降温曲线会和实际拟合降温曲线交接，低于该温度，人为的分段式温度调节将失去意义。因为该方法可以理解为利用卤钨灯光照减缓了自然降温的速度。

Claims (8)

1.一种快速升温热处理过程(RTP)升温,降温速度的控制方法，其特征在于，根据样片的热处理降温要求，设定相应的升温，降温时间和温度维持时间，通过分段式升温，降温控制，拟合升温，降温理想直线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于快速升温处理过程(RTP)，装置在升温处理过程中有较为准确的控制机能。在此，不赘述。本专利公开方法虽然可实现升温速度控制，但实际与RTP装置自身所具有升温控制机能相比，精度较低，因此不提倡在升温阶段使用本方法。以下的说明以降温温控方法及设定方法为中心展开。

3.如权利要求1所述的方法，在样片热处理工艺降温过程中，通过设定程序中降温时间和维持温度时间，从而控制卤钨灯的照射。实现对样片的多样化热处理工艺。

4.如权利要求3所述的方法，在实施降温处理操作前，需要掌握加热样片的自然降温曲线。并根据实际需要，调整降温程序分段段数及调节降温时间和维持时间的长短。

5.如权利要求4所述的方法，为提高拟合降温直线的程度，可利用增加分段降温次数(既减少每次降温时间和维持时间)，分多步完成降温热处理工艺。

6.如权利要求4所述的方法，如果样片的材质，规格发生变化，均会影响该系统的高温阶段降温速度，该系统的自然降温曲线也会发生偏移，因此也可能导致实际降温曲线与拟合降温直线产生偏差。

7.如权利要求1所述方法，2阶段或者多阶段升温，降温过程，均可利用该方法。在慢速降温温控工艺中更适合。

8.如权利要求1所述方法，不受热处理样片种类，做成方法，处理过程，温度范围的特别限制。比如，非晶体，单晶，多晶材料，半导体材料；做成方法包括：旋涂，喷涂；各种热处理过程包括：氮化，氧化，硒化等过程。