PE SiO2和SiN双层膜简介ppt课件

氧化硅与氮化硅双层膜报告 一 钝化原理硅材料中含有大量的杂质和缺陷 导致硅中少数载流子寿命和扩散长度降低 为了提高硅太阳电池的效率 必须对硅材料中具有电活性的杂质和缺陷进行钝化 SiN 由于SiN膜具有很高的正电荷密度 场效应钝化效果较好 内含丰富的H原子 但其沉积在硅片表面后 界面缺陷密度较高 SiO2 SiO2膜折射率较低 场效应钝化效果不如SiN 但是生长完SiO2硅片表面缺陷密度较低 因此采用 SiN叠层膜结构可以有效综合两种膜的优点得到较好的钝化效果 1 材料特性 SiN 密度 3 44 熔点 1900 介电常数为8F m 1 SiO2 密度 2 2 2 6 熔点 1700 介电常数为3 9F m 1 TiO2 密度 3 9 熔点 1850 介电常数为3 9F m 1 Si 密度 2 4 熔点 1420 折射率和热膨胀系数 Si n 3 42 热膨胀系数 3ppm K SiN n 2 0 热膨胀系数 2 3ppm K SiO2 n 1 46 热膨胀系数 0 5ppm K TiO2 n 2 4 2 应力 材料单位截面积上受到的力称为应力 根据对材料作用的不同 应力表现为两种可能的形式 张应力和压应力 对材料有拉伸作用的应力为张应力 对材料有压缩作用的应力为压应力 薄膜材料的应力有两部分组成 一是薄膜材料与衬底热膨胀系数不同而产生的热应力 二是薄膜材料与衬底结构不匹配而产生的本征应力 1 热氧化SiO2 热氧化SiO2膜的应力为压应力 值约为3 108Pa 从图上可以看出 应力随着温度升高增大 在膜厚3000 6000nm时 应力无明显变化 2 PECVDSiO2 PECVDSiO2的应力为压应力 值约为1 3 108Pa 从上图可以看出 应力随衬底温度的提高而降低 应力随折射率的增大而增大 当厚度较小时 应力随膜厚的增大而减小 当膜厚较大时 应力不随膜厚变化 3 PECVDSiN PECVDSiN的应力为压应力 值约为1 4 109Pa 随淀积温度的提高 应力先升后降 在350 附近形成一个峰值 这是由于薄膜淀积过程中缺陷的引入及激活这一对相反的过程在各个温度下共同作用的结果 应力与气体流比得关系 在不富硅的氮化硅中 应力随硅烷流量增大而增大 而当富硅严重时 应力则随富硅程度的增大而减小 在前一种情况下 薄膜中富裕的硅起缺陷作用 在后一种情况下 多余的硅形成局部非晶硅结构 应力与膜厚 应力基本上不随膜厚变化 只有在厚度超过200nm之后略有上升的趋势 应力与退火处理 SiN膜在N2氛围中进行退火处理 应力有下降趋势 高温退火应力下降明显 主要是因为退火减少了膜中的缺陷 3 折射率计算 如果在硅表面制备一层透明的介质膜 由于介质膜的两个界面上的反射光互相干涉 可以在很宽波长范围内降低反射率 此时反射率由下式给出 式中 r1 r2分别是外界介质 膜和膜 硅界面上的菲涅尔反射系数 为膜层厚度引起的相位角 其中 n0 n和nsi分别为外界介质 膜层和硅的折射率 0是入射光的波长 d是膜层的实际厚度 n d为膜层的光学厚度 当波长为 0的光垂直入射 如果膜层光学厚度为 0的四分之一 即n d 0 4 可得 为了使反射损失减到最小 即希望上式等于0 就应有 对于太阳光谱 取 0 0 6微米 如果电池直接暴露在真空或大气中使用 最匹配的减反射膜折射率为n 1 97 在实际应用中 为了提高电池的使用寿命和抗湿能力 大多采用硅橡胶封装 所以 对于减反射膜来说 外界介质是硅橡胶 其折射率约为1 4 在这种情况下 最匹配的减反射膜折射率应为 4 SiN的优点 1 场效应钝化效果好 左图为SiN Si界面图 图中SiN的固定正电荷主要来自反应过程中生成的悬挂键 如N3 Si Si3 Si Si2N Si 等 SiN膜中的固定正电荷可与硅片内的载流子相互作用形成场效应钝化 固定正电荷排斥空穴 从而在界面处形成内建电场 最终将电子和空穴分离 2 H原子钝化SiN膜含有大量H原子 可在烧结过程中释放至硅片内饱和悬挂键 从而降低表面复合速率 提高载流子寿命 在PECVD过程中 表面在一段时间内处于富氢的气氛中 使表面成为富氢体 在随后的SiN或SiO2沉积过程中 几乎没有H能到达Si界面 沉积SiN或SiO2过程中会产生空位 那么硅表面大量的H在替位扩散 迅速的向硅体内扩散 达到体钝化的效果 5 SiO2的优点 SiO2 Si界面的界面缺陷密度较低 SiO2在硅片表面的生长模型如上图所示 氧气在硅片表面反应生成SiO2 由于在硅片表面处晶格不连续通过在硅片表面热生长一层SiO2 可以有效饱和硅片表面的Si3 Si 键 从而降低硅片表面的表面缺陷密度 二 工艺方法1 在扩散炉中用湿氧在900度左右高温下热生长厚度为20nm的SiO2膜 经过去磷硅玻璃后 在SiO2膜表面再PECVD沉积SiN 65nm 该方法温度较高 使多晶硅产生新的缺陷 导致硅片少子寿命降低 1 干氧氧化干氧以外加少量 1 3 卤素 主要是氯 由于起始氧化层阻止氧化分子与硅表面的直接接触 氧分子只有扩散通过SiO2层到达Si界面 才能和Si原子反应 生成新的SiO2层 是膜厚继续增厚 高温 干氧氧化生长的SiO2层厚度d在温度高于1000 以上 由下式决定 式中为比例系数 t为氧化时间 氯的作用 Cl2与重金属原子反应生成挥发性氯化物 具有清洁作用 O2 Cl2混合气中的氧化速率比纯氧中高 O2中含3 HCl 线性速率大一倍 其一 掺氯氧化时反应产物有H2O 加速氧化 其二 氯积累在Si SiO2界面附近 氯与硅反应生成氯硅化物 氯硅化物稳定性差 在有氧的情况下易转变成SiO2 因此 氯起了氧与硅反应的催化剂的作用 常用氯源有 HCl TCE 三氯乙烯 TCA 三氯乙烷 DCE 二氯乙烯 等 2 湿氧氧化氧气通过装有高纯去离子水的氧化瓶 因此 进入石英管的氧气带有水汽 由于参与氧化的物质是水和养的混合物 所以氧化速率比干氧氧化要快得多 高温 高温 掺磷硅湿氧氧化 3 通过PECVD在400 左右淀积SiO2膜 使用高纯度SiH4和N2O反应生产 此方法避免了高温引起的缺陷 在扩散炉中用湿氧在900 左右