PECVD培訓(xùn)(原理)

1、 黨紀(jì)東 王 虎 2010-7-19日整理人 費(fèi)正洪 124 4 42PECVD的減反射效果PECVD的鈍化效果PECVD的薄膜形成機(jī)理PECVD的工藝參數(shù)影響 1第一部分第一部分PECVDPECVD的減反射效果的減反射效果PECVD的減反射原理：的減反射原理： 圖示為四分之一波長減反射膜的原理。圖示為四分之一波長減反射膜的原理。從第二個界面返回到第一個界面的反射光與從第二個界面返回到第一個界面的反射光與從第一個界面的反射光相位差從第一個界面的反射光相位差180，所以，所以前者在一定程度上抵消了后者。前者在一定程度上抵消了后者。 在正常入射光束中從覆蓋了一層厚度為在正常入射光束中從覆蓋了一層厚

2、度為d1的透明層的材料，表面反射的能量所占比的透明層的材料，表面反射的能量所占比例的表達(dá)式是：例的表達(dá)式是： 其中其中r1，r2分別是外界介質(zhì)分別是外界介質(zhì)-膜和膜膜和膜-硅界面上的菲涅爾反射系數(shù)，硅界面上的菲涅爾反射系數(shù)，為膜層為膜層厚度引起的位相角厚度引起的位相角 。當(dāng)當(dāng)n1d1=0/4 時，反射有最小值：時，反射有最小值：如果如果 ，則理論反射率為零。，則理論反射率為零。 空氣中硅表面的折射率空氣中硅表面的折射率nsi3.8，所，所以減反射膜的最佳折射率是硅折射率以減反射膜的最佳折射率是硅折射率的平方根的平方根n1.95。 硅電池做成組件后，被封裝在玻璃硅電池做成組件后，被封裝在玻璃（

3、n 1.5）下面，中間還要考慮一層）下面，中間還要考慮一層EVA，所以此時減反射膜的最佳折射，所以此時減反射膜的最佳折射率是率是n2.3。 右圖的曲線表示，在空氣中和玻璃右圖的曲線表示，在空氣中和玻璃下的硅表面分別覆蓋折射率是下的硅表面分別覆蓋折射率是1.9和和2.3的減反射膜，從硅表面反射的入射光的減反射膜，從硅表面反射的入射光的百分比與波長的關(guān)系。減反射膜的的百分比與波長的關(guān)系。減反射膜的設(shè)計(jì)，使得約在波長設(shè)計(jì)，使得約在波長600nm處產(chǎn)生最處產(chǎn)生最小反射。小反射。 從覆蓋有減反射膜的硅表面反射的從覆蓋有減反射膜的硅表面反射的可用光的加權(quán)平均在可用光的加權(quán)平均在10%，裸硅表面，裸硅表面則

4、超過則超過30%。 減反射膜常沉積為非結(jié)晶的或無定形的薄層，以防止在晶界處的光散射問題。減反射膜常沉積為非結(jié)晶的或無定形的薄層，以防止在晶界處的光散射問題。用真空蒸發(fā)方法形成的減反射層一般在紫外波長區(qū)域要產(chǎn)生吸收。然而利用像使用真空蒸發(fā)方法形成的減反射層一般在紫外波長區(qū)域要產(chǎn)生吸收。然而利用像使沉積的金屬薄層氧化或陽極化這樣的工藝所形成的減反射層或用化學(xué)法沉積工藝沉積的金屬薄層氧化或陽極化這樣的工藝所形成的減反射層或用化學(xué)法沉積工藝形成的減反射層往往有玻璃結(jié)構(gòu)（小的無定形結(jié)構(gòu)），會減少紫外的吸收。形成的減反射層往往有玻璃結(jié)構(gòu)（小的無定形結(jié)構(gòu)），會減少紫外的吸收?？梢姽庠诠庾V中的位置可見光在光譜

5、中的位置2第二部分第二部分PECVDPECVD的鈍化效果的鈍化效果 太陽能級硅單晶和多晶硅材料存在著大量的雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷在太陽能級硅單晶和多晶硅材料存在著大量的雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷在晶體硅中引入深能級，顯著降低硅中的少數(shù)載流子壽命，從而影響太陽電池的短晶體硅中引入深能級，顯著降低硅中的少數(shù)載流子壽命，從而影響太陽電池的短路電流和電池的轉(zhuǎn)換效率。路電流和電池的轉(zhuǎn)換效率。 少量的氫就能和硅中的缺陷和雜質(zhì)作用，少量的氫就能和硅中的缺陷和雜質(zhì)作用，形成一些復(fù)合體，由于這些復(fù)合體大多都是電形成一些復(fù)合體，由于這些復(fù)合體大多都是電中性，所以硅中的氫可以鈍化雜質(zhì)和缺陷的電中性，所以硅中的氫

6、可以鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性。它不僅能鈍化晶體的表面或界面，還可活性。它不僅能鈍化晶體的表面或界面，還可以和金屬雜質(zhì)結(jié)合，去除或改變相應(yīng)的深能級。以和金屬雜質(zhì)結(jié)合，去除或改變相應(yīng)的深能級。此外，氫還能和位錯上的懸掛鍵結(jié)合此外，氫還能和位錯上的懸掛鍵結(jié)合 ，達(dá)到去，達(dá)到去除位錯電活性的目的；氫也能和空位作用，形除位錯電活性的目的；氫也能和空位作用，形成一種成一種VHn復(fù)合體；氫還能鈍化由氧化而引入復(fù)合體；氫還能鈍化由氧化而引入的點(diǎn)缺陷，改善器件性能。的點(diǎn)缺陷，改善器件性能。 PECVD沉積氮化硅薄膜鈍化太陽能電池的沉積氮化硅薄膜鈍化太陽能電池的作用從原理看實(shí)際上是薄膜中富含的氫對襯底作用從原理看實(shí)

7、際上是薄膜中富含的氫對襯底硅中的雜質(zhì)和缺陷的鈍化。硅中的雜質(zhì)和缺陷的鈍化。 氫在硅中的存在形式主要取決于溫度，摻雜類型與濃度，氫的濃度，缺陷氫在硅中的存在形式主要取決于溫度，摻雜類型與濃度，氫的濃度，缺陷情況等，在低溫時，氫在硅中常以情況等，在低溫時，氫在硅中常以3種狀態(tài)存在：種狀態(tài)存在： 1、在缺陷位置上被懸掛束縛，形成多重性的、在缺陷位置上被懸掛束縛，形成多重性的Si-H鍵，這種狀態(tài)的氫原子有鍵，這種狀態(tài)的氫原子有著最低的勢能；著最低的勢能； 2、在沒有缺陷的位置上以穩(wěn)定氫分子、在沒有缺陷的位置上以穩(wěn)定氫分子H2的情況存在，在平衡條件下氫分的情況存在，在平衡條件下氫分子占據(jù)著硅四面體的中心

8、位置，此時它的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)都不活潑，低溫時也子占據(jù)著硅四面體的中心位置，此時它的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)都不活潑，低溫時也不易移動；不易移動； 3、氫在硅中最重要的形態(tài)是原子氫。氫原子占據(jù)所謂的金屬位，對未被束、氫在硅中最重要的形態(tài)是原子氫。氫原子占據(jù)所謂的金屬位，對未被束縛的氫來說，這是能量最低的方式。在室溫時，一般情況下氫是不能以單獨(dú)的縛的氫來說，這是能量最低的方式。在室溫時，一般情況下氫是不能以單獨(dú)的氫原子或氫離子存在的，它總是以復(fù)合體的形式存在于硅中。氫原子或氫離子存在的，它總是以復(fù)合體的形式存在于硅中。 在燒結(jié)過程中，因?yàn)楦邷?，硅片鍍膜后表面富含的氫原子還會向內(nèi)擴(kuò)散，在燒結(jié)過程中，因?yàn)楦邷兀?/p>

9、硅片鍍膜后表面富含的氫原子還會向內(nèi)擴(kuò)散，能對硅片更深處進(jìn)行鈍化。所以，鍍膜后經(jīng)過燒結(jié)的硅片測試的少子壽命會能對硅片更深處進(jìn)行鈍化。所以，鍍膜后經(jīng)過燒結(jié)的硅片測試的少子壽命會高于高于PECVD鍍膜后的少子壽命。鍍膜后的少子壽命。3第三部分第三部分PECVDPECVD薄膜形成機(jī)理薄膜形成機(jī)理 PECVD按鍍膜方式可分為直接法和間接法，也可按設(shè)備分為管式和板式，按鍍膜方式可分為直接法和間接法，也可按設(shè)備分為管式和板式，還可以按激發(fā)方式、不同的射頻功率等細(xì)分。還可以按激發(fā)方式、不同的射頻功率等細(xì)分。 在直接在直接PECVD設(shè)備中，設(shè)備中，SIH4和和NH3同時被交變電場所激勵而產(chǎn)生等離子體，同時被交變

10、電場所激勵而產(chǎn)生等離子體，樣品直接置于等離子體中，表面受轟擊嚴(yán)重，可由燒結(jié)的熱處理來彌補(bǔ)。樣品直接置于等離子體中，表面受轟擊嚴(yán)重，可由燒結(jié)的熱處理來彌補(bǔ)。 在間接在間接PECVD設(shè)備中，只有設(shè)備中，只有NH3被交變電場所激勵，而且樣品遠(yuǎn)離等離子體。被交變電場所激勵，而且樣品遠(yuǎn)離等離子體。被激勵的等離子體進(jìn)入反應(yīng)器和被激勵的等離子體進(jìn)入反應(yīng)器和SIH4反應(yīng)并沉積到硅片的表面。由于這種方法產(chǎn)反應(yīng)并沉積到硅片的表面。由于這種方法產(chǎn)生的等離子體密度高，所以沉積的速率也往往比直接生的等離子體密度高，所以沉積的速率也往往比直接PECVD大，另外一個顯著大，另外一個顯著的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是由于等離子體離硅片表面較遠(yuǎn)，

11、使電池表面損傷大大減少。的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是由于等離子體離硅片表面較遠(yuǎn)，使電池表面損傷大大減少。島津的直接式島津的直接式PECVDRoth&Rau的間接式的間接式PECVD直接法分為兩種：直接法分為兩種：（1）管式）管式PECVD系統(tǒng)：即使用像擴(kuò)散管一樣的石英管作為沉積腔室，使用電系統(tǒng)：即使用像擴(kuò)散管一樣的石英管作為沉積腔室，使用電阻爐作為加熱體，將一個可以放置多片硅片的石墨舟插進(jìn)石英管中進(jìn)行沉積。阻爐作為加熱體，將一個可以放置多片硅片的石墨舟插進(jìn)石英管中進(jìn)行沉積。這種設(shè)備的主要制造商為德國的這種設(shè)備的主要制造商為德國的Centrothem公司、中國的第四十八研究所公司、中國的第四十八研究所 、

12、七星華創(chuàng)公司。七星華創(chuàng)公司。（2）板式）板式PECVD系統(tǒng)：即將多片硅片放置在一個石墨或碳纖維支架上，放入系統(tǒng)：即將多片硅片放置在一個石墨或碳纖維支架上，放入一個金屬的沉積腔室中，腔室中有平板型的電極，與樣品支架形成一個放電回一個金屬的沉積腔室中，腔室中有平板型的電極，與樣品支架形成一個放電回路，在腔室中的工藝氣體在兩個極板之間的交流電場的作用下在空間形成等離路，在腔室中的工藝氣體在兩個極板之間的交流電場的作用下在空間形成等離子體，分解子體，分解SiH4中的中的Si和和H，以及，以及NH3中的中的N形成形成SiNx沉積島沉積島 硅表面。這種沉硅表面。這種沉積系統(tǒng)目前主要是日本島津公司在進(jìn)行生產(chǎn)

13、。積系統(tǒng)目前主要是日本島津公司在進(jìn)行生產(chǎn)。（1）微波法：使用微波作為激發(fā)等離子體的頻段。微波源置于樣品區(qū)域之外，）微波法：使用微波作為激發(fā)等離子體的頻段。微波源置于樣品區(qū)域之外，先將氨氣離化，再轟擊硅烷氣，產(chǎn)生先將氨氣離化，再轟擊硅烷氣，產(chǎn)生SiNx分子沉積在樣品表面。這種設(shè)備目分子沉積在樣品表面。這種設(shè)備目前的主要制造商為德國的前的主要制造商為德國的Roth&Rau公司。公司。（2）直流法：使用直流源激發(fā)等離子體，進(jìn)一步離化氨氣和硅烷氣。樣品也）直流法：使用直流源激發(fā)等離子體，進(jìn)一步離化氨氣和硅烷氣。樣品也不與等離子體接觸。這種設(shè)備由荷蘭的不與等離子體接觸。這種設(shè)備由荷蘭的OTB公司

14、生產(chǎn)。公司生產(chǎn)。間接法分為兩種：間接法分為兩種：不同不同PECVD設(shè)備的工作頻率有如下幾種：設(shè)備的工作頻率有如下幾種：250 kHz：島津公司的板式直接法系統(tǒng)：島津公司的板式直接法系統(tǒng)440 kHz：Semco公司的板式直接法公司的板式直接法 460 kHz：Centrotherm公司管式直接法公司管式直接法13.6 MHz：Semco公司和公司和MVSystem公司的板式直接法系統(tǒng)公司的板式直接法系統(tǒng)2450 MHz：Roth&Rau公司的板式間接法系統(tǒng)公司的板式間接法系統(tǒng)各種設(shè)備的鍍膜比較：各種設(shè)備的鍍膜比較： 這種比較也是在某些特定的沉積條件下的一般性的比較，改變沉積條件可這種比

15、較也是在某些特定的沉積條件下的一般性的比較，改變沉積條件可以改變薄膜的特性。以改變薄膜的特性。一般說來，采用一般說來，采用PECVD技術(shù)制備薄膜材料時，薄膜的生長主要包含以下三個技術(shù)制備薄膜材料時，薄膜的生長主要包含以下三個基本過程：基本過程：（一）在非平衡等離子體中，電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級反應(yīng)，使得反應(yīng)氣體發(fā)（一）在非平衡等離子體中，電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級反應(yīng)，使得反應(yīng)氣體發(fā)生分解，形成離子和活性基團(tuán)的混合物；生分解，形成離子和活性基團(tuán)的混合物；（二）各種活性基團(tuán)向薄膜生長表面和管壁擴(kuò)散運(yùn)輸，同時發(fā)生各反應(yīng)物之間（二）各種活性基團(tuán)向薄膜生長表面和管壁擴(kuò)散運(yùn)輸，同時發(fā)生各反應(yīng)物之間的次級反應(yīng)；

16、的次級反應(yīng)；（三）到達(dá)生長表面的各種初級反應(yīng)和次級反應(yīng)產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng)，（三）到達(dá)生長表面的各種初級反應(yīng)和次級反應(yīng)產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng)，同時伴隨有氣相分子物的再放出。同時伴隨有氣相分子物的再放出。具體如下：具體如下：（一）在輝光放電條件下，由于硅烷等離子體中的電子具有幾個（一）在輝光放電條件下，由于硅烷等離子體中的電子具有幾個ev以上的能以上的能量，因此量，因此H2和和SiH4受電子的碰撞會發(fā)生分解，此類反應(yīng)屬于初級反應(yīng)。若不受電子的碰撞會發(fā)生分解，此類反應(yīng)屬于初級反應(yīng)。若不考慮分解時的中間激發(fā)態(tài)，可以得到如下一些生成考慮分解時的中間激發(fā)態(tài)，可以得到如下一些生成SiHm(m=0

17、,1,2,3)與原子與原子H的離解反應(yīng)：的離解反應(yīng)：按照基態(tài)分子的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱計(jì)算，上述各離解過程（按照基態(tài)分子的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱計(jì)算，上述各離解過程（2.1）（2.5）所需的能）所需的能量依次為量依次為2.1、4.1、4.4、5.9ev和和4.5ev等離子體內(nèi)的高能量電子還能夠發(fā)生如下的電離反應(yīng)：等離子體內(nèi)的高能量電子還能夠發(fā)生如下的電離反應(yīng)：以上各電離反應(yīng)（以上各電離反應(yīng)（2.6）（2.9）需要的能量分別為）需要的能量分別為11.9，12.3，13.6和和15.3ev，由于反應(yīng)能量的差異，因此（由于反應(yīng)能量的差異，因此（2.1）（2.9）各反應(yīng)發(fā)生的幾率是極不均勻的。）各反應(yīng)發(fā)生的幾率是極不均勻的

18、。此外，隨反應(yīng)過程（此外，隨反應(yīng)過程（2.1）（2.5）生成的）生成的SiHm也會發(fā)生下列的次級反應(yīng)而電離，也會發(fā)生下列的次級反應(yīng)而電離，例如例如上述反應(yīng)如果借助于單電子過程進(jìn)行，大約需要上述反應(yīng)如果借助于單電子過程進(jìn)行，大約需要12ev以上的能量。鑒于通常以上的能量。鑒于通常制備硅基薄膜的氣壓條件下（制備硅基薄膜的氣壓條件下（10100Pa），電子密度約為），電子密度約為1010cm-3的弱電的弱電離等離子體中離等離子體中10ev以上的高能電子數(shù)目較少，累積電離的幾率一般也比激發(fā)以上的高能電子數(shù)目較少，累積電離的幾率一般也比激發(fā)幾率小，因此硅烷等離子體中，上述離化物的比例很小，幾率小，因此硅

19、烷等離子體中，上述離化物的比例很小，SiHm的中性基團(tuán)占的中性基團(tuán)占支配地位，因此所需能量不同，支配地位，因此所需能量不同，SiHm的濃度按照的濃度按照SiH3,SiH2,Si,SiH的順序遞的順序遞減。減。（二）（二）除上述的離解反應(yīng)和電離反應(yīng)之外，離子分子之間的次級反應(yīng)也很重要：除上述的離解反應(yīng)和電離反應(yīng)之外，離子分子之間的次級反應(yīng)也很重要：因此，就離子濃度而言，因此，就離子濃度而言，SiH3+比比SiH2+多。他可以說明在通常的多。他可以說明在通常的SiH4等離等離子體中子體中SiH3+離子比離子比SiH2+離子多的原因。離子多的原因。此外，還會發(fā)生由等離子體中氫原子奪取此外，還會發(fā)生由

20、等離子體中氫原子奪取SiH4中的氫的分子中的氫的分子-原子碰撞反應(yīng)：原子碰撞反應(yīng)：這是一個放熱反應(yīng)，也是形成乙硅烷這是一個放熱反應(yīng)，也是形成乙硅烷Si2H6的前驅(qū)反應(yīng)。當(dāng)然上述基團(tuán)不的前驅(qū)反應(yīng)。當(dāng)然上述基團(tuán)不僅僅處于基態(tài)，在等離子體中還會被激勵到激發(fā)態(tài)。對硅烷等離子體的發(fā)僅僅處于基態(tài)，在等離子體中還會被激勵到激發(fā)態(tài)。對硅烷等離子體的發(fā)射光譜研究的結(jié)果表明，存在有射光譜研究的結(jié)果表明，存在有Si,SiH,H等的光學(xué)允許躍遷激發(fā)態(tài)，也存等的光學(xué)允許躍遷激發(fā)態(tài)，也存在在SiH2,SiH3的振動激發(fā)態(tài)。的振動激發(fā)態(tài)。（三）（三）硅烷等離子體中的離化基團(tuán)只是在低氣壓（硅烷等離子體中的離化基團(tuán)只是在低氣壓（5*10-3Torr）高電