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1、PECVD工艺及设备介绍一、PECVD原理及作用介绍1.PECVD 原理PECVD： Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition 等离子增强化学气相沉积)所谓等离子体：气体在一定条件下受到高能激发，发生电离，部分外层电子脱落原子核，形成电子、 正离子和中性粒子混合物组成的一种形态，这种形态就称为等离子态即第四态。等离子体从宏观来说也是电中性，但是在局部可以为非电中性。如下图所示。具体到太阳能电池中，PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子 体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在硅片上沉积出所期望的薄膜。在工业化太
2、阳能电池生 产中，最常见的薄膜是Si3N4。所用的活性气体为SiH4和NH3。这些气体经解离后反应，在硅片上长出 氮化硅膜。可以根据改变硅烷对氨的比率，来得到不同的折射指数。在沉积工艺中，伴有大量的氢原子和 氢离子的产生，使得晶片的氢钝化性十分良好。- SiH3+ + H+ + e-T SiH* + 3H t SiH + hvSiH4SiH4SiH4 + e- TSiW + H，SiH4 + H，T SIH/ + H2NH3: NH3% NH.+, NH“ H.理想的反应如下:orSIH4 (gas) + Nf(gas) t SiNx:Hy + H正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si
3、3N4。但是PECVD沉积氮化硅的化学计量比会随工艺不同而变化，Si/N变化的范围在0.75-2左右。除了 Si和N，PECVD的氮化硅一般还包含一定比例的氢原子，即SixNyHz或 SiNx:H.2.PECVD 作用PECVD沉积Si3N4膜的主要作用是做减少反射和钝化。下图为Si3N4膜形成前后的反射率曲线图。一七手泪浇后建片屁n聿沉期日帽信翌丘射牵SiNx减反射机理如下图所示，主要运用的薄膜的干涉相消原理。设半导体、减反射膜、空气的折射率分别关 便、ni. nO,械反射膜厚度为曰项 则反环一 率R为，.当上式分子为叩时，反射最 小-对于41池片，nn =1 n2 3.87.如 = l,m
4、兀 对于组件R n0 =l.14,n2 =3.87+ 则 n, = 2 1o考虑到实际荷况.一般选择薄膜 的折射率在2 一。21之佰L地面光谱能量峰值在0.5um,太阳能电池响立峰f宜在0,8-d,um,减反时最好效果在 0.6um；i2 右(O.SumzOqum). 当光学厚度等于四分之一波怅时.反射 率接近丁零,即，1杰ez =q，幻.根据形成的SiNx的厚度不同，关系的反射率也不同，同时，表现为硅片镀膜后的颜色的不同。下图为不同的膜厚对应的颜色变化。50nm 75nmi 100nmSiNx-thickness颜色厚度(nm)颜色厚度(nm)颜色厚度(nm)硅本色0-20很淡蓝色100-1
5、10蓝色210-230褐色20-40硅本色110-120蓝绿色230-250黄褐色40-50淡黄色120-130浅绿色250-280红色55-73黄色130-150橙黄色280-300深蓝色73-77橙黄色150-180红色300-330蓝色77-93红色180-190淡蓝色93-100深红色190-210蓝色77-93红色180-190淡蓝色93-100深红色190-210对于多晶硅电池片，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复 合物），因此对材料表面和体内缺陷进行钝化就显得特别重要。钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长 中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝
6、化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在 多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。具体SiNx膜钝化过程如下图的过程所示:二、 制备SiN薄膜设备的分类PECVD法制备SiN薄膜分为直接法（Direct）、间接法（Remote）和自旋共振（ICP）。具体常见厂家设备 如下所示：管式炉（Centrotherm,七星华创，48所，捷厂 佳创）厂直接法（Direct）Y平板炉（如Schmid，北方微电子，周星ShimadzuL （岛津），Tempress）PECVD间接法（Remote）y微波法（Roth&Rau）直
7、流法（OTB）自旋共振（ICP） （Singulus）下面选择自有的三种设备进行介绍：1.直接法管式炉（C entrotherm） 下图为Centrotherm的结构及原理图。SiH NHjR&sistive heatersQusrt2 tube Daofrf generatorCentrotherm管式PECVD系统频率40kHz，采用石墨托架，石墨托架为了加热方便和减轻重量，而制成中 空结构，这样使用了太阳电池的作为电极的一部分。因此，电池表面的状态（如粗糙度、电阻率等）均对 放电产生影响，因此容易造成不均匀的现象。使用40kHz的频率对于电池表面的损伤要大于250kHz和400kHz，而
8、且对于表面的电子沉积速率也要小于 后者，但是电学控制、沉积稳定性等方面却是40kHz更优越，因此仍采用40kHz。为减小表面损伤，采用 了脉冲式的间断低频场，以减小表面轰击。下图为具体的形成过程。2,间接法微波法(Roth&Rau)下图为Roth&Rau的结构及原理图。甲-suprh.uartr tube国明皿nu岭mE fieldNHt 9酒浏叩呼qu 日 rtz_.innrcandlucir* 4magnet syslem4 high density plasma rea = c白直 自1 心u!由 r dhdutbi1thin fihm deposition plasma 卜应馈-SiH
9、q gss sup ply =Vl.L a,kdepQsitian shield =plasma housing* SiH;gassupp3/statesearnerR&R采用微波法，频率为2.45GHz，等离子产生在反应腔之外，然后由石英管导入反应腔中。在这种设备 里微波只激发NH3，而SiH4直接进入反应腔。间接PECVD的沉积速率比直接的要高很多。R&R表面损伤较低频直接法小，但是对于多晶硅的晶界钝化效果不及直接法。沉积速率快，但是有饶射现 象。3.自旋共振(Singulus )Singulus采用ICP法，频率为13.65MHz。介于CT和R&R之间，因此具有较小的损失，同时相比R&R
10、晶界的钝化效果稍好。三、各种不同PECVD对比我们公司所用三种PECVD采用不能的频率，具有不同的动能以及等离子密度。动能越大，钝化效果越好，但是有一个极限，否则会对硅片表面造成很大的轰击， 下图中为三种PECVD动能以及等离子密度与功率的关系。甚至击穿硅片。动 能 Ek功率P功率PCT PECVD动能以及等离子密度与功率的关系等离子密度1-2ev功率P功率PR&R PECVD动能以及等离子密度与功率的关系动能10-20ev功率P功率PSingulus PECVD动能以及等离子密度与功率的关系其他方面的不同如下图所示：Centrotherm 技木Roth&RauSingulus频率40kHz2.45GHz13.65MHz托架石墨框架碳纤维框合金电极硅片离域电感耦合沉积方式直接法离域离域等离子方式离子跟随等离子体运动离子跟不上等离子体 运动，电子运动离子跟不上等离子体 运动，电子运动沉积速率0.1-0.3nm/s0.67-1.67nm/s0.1-0.6 nm/s点间厚度均匀 性5%2.5%3%片间厚度均匀 性5%3%3%沉积温度100-500 C250-450 C200-600 C表面的损伤最重最轻较轻表面钝化最差最好较好晶界钝化最好最差较差光谱响应短波最差，长波最好短波最好，长波最差短波较好，长波较差UV辐照损伤最差最好较好
