PECVD技术最新进展

用于太阳电池的等离子体技术用于太阳电池的等离子体技术 中科院电工研究所 王文静 用于太阳电池的等离子体技术用于太阳电池的等离子体技术 PECVD技术 制备晶体硅太阳电池的减反射和钝化膜 用于电池片边缘的刻蚀 非晶硅薄膜制备技术 非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的制备 磁控溅射技术 制备晶体硅太阳电池的减反射和钝化膜 薄膜电池导电薄膜的制备 薄膜电池电极的制备 制备SiN薄膜的PECVD技术 SiN薄膜的功能薄膜的功能 减反射 表面钝化 载流子通过表面的复合载流子通过表面的复合 在表面存在大量的悬挂 键，这些悬挂键会在表面 禁带中形成深能级，造成 载流子在表面的复合 电子表面复合速率为： 如果硅表面直接暴露在大气中，其 表面复合速率将达到105106 Rs,e =s,e e ns,h ne 载流子通过表面的复合载流子通过表面的复合 当半导体和金属接触 时，半导体中的费米能 级弯曲向金属的费米能 级。可以近似地认为在 这样的表面上的表面复 合速率为无穷大 制备制备SiN薄膜设备的分类薄膜设备的分类 PECVD法 磁控溅射法Applied Film 直接法（Direct） 间接法（Remote） 自旋共振（ICP） 管式炉Centrotherm，七星华创，48所， 捷嘉创 平板炉Schmid，北方微电子，周星 Shimadzu（岛津）,Tempress 平板型 微波Roth&Rau RFGeneral Plasma 直流OTB 平板型13.56MHzSingulus Tech. f = 0 Hz OTB 40K Hz Centrotherm，七星华创，捷佳创，48所， General Plasma 1100K Hz MVSystem （脉冲调制等离子体） 250K Hz Shimadzu（岛津） 400K Hz 北方微电子，Schmid， 460K Hz Centrotherm 13.6M Hz 周星，Singulus，Semco，MVSystem 2450M Hz Roth & Rau 制备制备SiN薄膜设备的分类薄膜设备的分类 等离子频率：4MHz。 F4MHz：离子无法跟上电极频率的变化，电子在电极间往返运 动，电子将空间中的离子轰击形成等离子体，离子不直接轰击样 品表面。 频率的变化对于镀膜的影响频率的变化对于镀膜的影响 （1）频率越高均匀面积越小 （2）频率越低对于硅片表面的损伤较严重 （3）频率越低离子进入硅片越深，越有利于 多晶硅境界的钝化 直接法的氮化硅生成过程直接法的氮化硅生成过程 直接法生成的氮化硅膜没有氧化层直接法生成的氮化硅膜没有氧化层 直接法与间接法直接法与间接法 （1）平板直接法）平板直接法 PECVD设备的特点设备的特点 直接法 频率：20kHz、250kHz、400kHz、13.56MHz 样品面朝上 托架为实心石墨板 平板性系统 （2）管式直接法（）管式直接法（Centrotherm） 管式PECVD反应炉 观察管式PECVD炉腔 PECVD系统前视图 Centrotherm设备的技术特点设备的技术特点 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。 （3）微波间接法（）微波间接法（Roth&Rau） 微波微波PECVD系统原理系统原理 Roth& Rau 公司的微波公司的微波PECVD系统系统 ECN System 链式的链式的PECVD系统系统 自动上下片的自动上下片的PECVD系统系统 （4）直流间接法（）直流间接法（OTB） 直流法的描述直流法的描述 直流放电形式的等离子体：在顶端的尖点为阴极，出口处 为平板状阳极，在阴阳之间有多极平板以调整电场的强 度，使电场逐渐减弱。 氩气自上端喷入，在电场区离化成离子；在出口端有NH3 喷入，混合而成Ar/ NH3等离子体自出口喷出。 在出口端一定距离之外又有硅烷气均匀喷入。 直流法的优点直流法的优点 ETP法的沉积速率很高（420nm/s），远高于其他PECVD法。 其原因：等离子体分成上游和下游两个腔体，在上游腔体气体压力很高，达到 亚大气压（sub-atmospheric pressure）。在这个气压下，离化率可达10%，如 使用分子气体，其分解率可达100%。这导致气体喷射扩展到下游低压腔体时会 有大量活性的离子或中性原子存在。在这个低压区，有大量的活化能量用于分 解反应气体，如：NH3和SiH4。下游腔室的气压为20Pa，可以有效的避免严重 的气相聚合。 由于上下游存在气压差别，因此下游腔室的分解不会影响上游的等离子 源，不会造成操作的飘移。 电源是直流的，因此也会使得操作容易。 离域的特性也使得在沉积参数的优化上更加容易。另外，在反应器及衬底 的设计和尺寸方面自由度更高。 更加关键的是，由于在下游气体腔室没有等离子体，因此没有对衬底的轰 击。 （5）磁控溅射法）磁控溅射法 Centrotherm技术岛津技术射频技术Roth&Rau 频率40kHz250kHz13.6MHz2.45GHz 托架石墨框架石墨平板石墨平板碳纤维框架 电极硅片石墨背板石墨背板离域 沉积方式直接法直接法直接法离域 等离子方式离子跟随等离子体运动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 - 0.3 nm/s0.4 nm/s0.1 - 0.6 nm/s0.67 - 1.67 nm/s 沉积温度100 - 500C100 - 500C 400C250 - 450C 点间厚度均 匀性 +/- 4%+/- 2.9%+/-5%+/- 2.5% 片间厚度均 匀性 +/- 4%+/-5%+/- 3% 表面的损伤最重较重较轻最轻 电子学控制 难易程度 最易较易较难最难 表面钝化最差较差较好最好 晶界钝化最好较好较差最差 光谱响应短波最差，长波最好短波较差，长波较好短波较好，长波较差短波最好，长波最差 UV辐照损伤最差较差较好最好 各种各种SiN制备技术的比较制备技术的比较 各种各种SiN制备技术的比较制备技术的比较 Centrotherm技术岛津技术射频技术Roth&Rau 各种技术 的比较 使用中空石墨托 架，硅片参与等 离子场的建立， 使得等离子的特 性与硅片表面状 态相关。因此使 用很高频率易造 成等离子场难于 控制，使用低频 的目的是电子学 易于控制。为减 少表面损伤采用 脉冲式等离子体 使用实心托架， 硅片不参与等离 子场的建立，硅 片表面状态对等 离子体特性影响 不大。因此，可 以使用较高的频 率。沉寂速率较 40kHz高。表面 损伤也较小。 其表面损伤虽然 由于低频，但是 劣于微波法。沉 积速率低于低频 及微波法。电子 学难于控制。 因此，目前已基 本不用。 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。 扩展等离子体技术（ETB，OTB公司）磁控溅射技术（Applied Film） 频率0 Hz（DC）40kHz 托架铝背板 电极直流电极石墨背板 沉积方式离域法直接法 等离子方式离子跟随等离子体运动磁控溅射 沉积速率4 - 20 nm/s90nm/s 沉积温度20- 450C400C 点间厚度均匀性+/- 2.5% +/- 2.5% 片间厚度均匀性+/- 2.5% +/- 2.5% 表面的损伤很轻 电子学控制难易程度最易 表面钝化较差 晶界钝化最差 光谱响应短波最好，长波最差 UV辐照损伤较好 各种各种SiN制备技术的比较制备技术的比较 实验及其发现实验及其发现 SiN薄膜的介电常数对于发射区的钝化特性有着非常巨大的 影响，介电常数越低，其钝化特性越差。通常：介电常数越 高，表明薄膜中的硅含量越高。 对于低频PECVD，其饱和电流随着表面的损伤有很大的变 化（200900fA/cm2），但是在退火后，其饱和电流降为 200300 fA/cm2 。表明，后退火对于LF技术是非常关键。 不同介电常数的不同介电常数的SiN膜的吸收系数膜的吸收系数 SiN薄膜的介电常数影响着其对 于不同波长的吸收系数 较低折射率的SiN膜在整个可见 光区段的吸收均较低。折射率越 高在短波段的吸收越强。 折射系数n是在=630nm处的折 射率 沉积温度对于饱和电流的影响沉积温度对于饱和电流的影响 对于发射区电阻100/?。 退火条件为Forming Gas 500C 可见，对于低频(LF：100kHz)：电常 数n为2.3，JOE较高，且与温度无关 对于高频(HF：13.6MHz)：n=1.9时 JOE较高，接近LF，但是n=2.3时JOE 较低 对于离域PECVD(2.45GHz)：n=2.3 时，表现出很不一样的模式， 介电常数对于饱和电流的影响介电常数对于饱和电流的影响 JOE与介电常数存在着非常直接的相 关性。特别是对于高频和离域 PECVD系统制备的SiN膜。在介电 常数小于1.9时JOE迅速上升，表面 钝化特性变差。而对于低频 PECVD，则在较低的折射率情况下 仍能保持较低的JOE。 但是，总体上看，高频PECVD比低 频的表面复合速率低。 从反射来看，折射率越高，其最低 点渐向长波段移动，因此，其短波 响应变差，在小于500nm处发生强 烈吸收，减小光电流，因此对于玻 璃封装材料，最佳折射系数应在2.2 各种各种PECVD技术的退火效应技术的退火效应 对于低频技术，退火会明显降低 JOE ，因此，在低频技术中退火成为 表面钝化的一部分。 而对于高频技术，退火对JOE 的影响 不显明。 薄膜条件：400C沉积，60nm厚 关于各种关于各种PECVD技术的评价技术的评价 JOE 发射区饱和电流密度 q 电荷量 ni