PECVD培训教材

1、1保密李锋21.PECVD在太阳能电池中的地位在太阳能电池中的地位2.PECVD工艺目的工艺目的3.PECVD对电性能影响对电性能影响太阳能电池是将太阳光转化为电能装置，其三大工艺因数为：1.太阳光的吸收;2.尽量激发出电子空穴对;3.尽可能多传出电子和空穴，使其相互分离（ 空间电荷区）。34SiNx:H外部形貌-减反射膜减反射膜镀减反射膜可以有效降低光的反射内部机理-钝化薄膜钝化薄膜（n+发射极）薄膜中的H能够进入硅晶体中,钝化硅中的缺陷,降低表面态密度,抑制电池表面复合，增加少子寿命，从而提高太阳电池Isc和Voc5 正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。但是PECVD沉积

2、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。Si/N比对比对SiNx薄膜性质的影响薄膜性质的影响 1.电阻率随x增加而降低 2.折射率n随x增加而增加 3.腐蚀速率随密度增加而降低6物理性质和化学性质：结构致密，硬度大；能抵御碱金属离子的侵蚀；介电强度高和耐湿性好；耐一般的酸碱腐蚀。SiNx优良的表面钝化效果；高效的光学减反性能（厚度和折射率匹配）；低温工艺（有效降低成本）；含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化。基本性能基本性能太阳能电池中的性能太阳能电池中的性能利

3、用利用7 当减反膜的折射率和厚度的乘积等于四分之一入射波长，即n1d1=/4时，从第二个界面0回到第一个界面的反射光与从第一个界面的反射光相位相差180度，形成了相消干涉。若控制n1d1的乘积等于太阳光强度最强的蓝绿光波长的四分之一附近，则可有效的增加半导体对太阳光的吸收作用。114nd产生相消干涉的条件产生相消干涉的条件 硅的折射率是3.9（600nm波长时），大气的折射率约为1.根据光的反射率公式可以得出减反膜的最佳折射率是1.97，cos21cos2212221212221rrrrrrrrR（1.1）nnnnr001nd04sisinnnnr002（1.2）（1.3）（1.4）R是反射率

4、，r1,r2 为菲涅尔反射系数，为膜层厚度引起的相位角。 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；nd为膜层的光学厚度。理想的状态下，反射率为0，即R=0，此时薄膜的光学厚度为入射光波长0的1/4。将r1,r2 及带入公式1.1，即可得到薄膜的理想折射率，sinnn0（1.5）8如果减反薄膜直接暴露在大气中，因为光在大气中的折射率约为1，所以将电池直接暴露在空气中时，选在减反薄膜的最佳折射率应该是1.97sinnn097. 19 . 30 . 1正常情况下，为延长电池的使用寿命，坚减少风雨对电池的侵蚀，往往会在电池组装时在硅片的表面粘贴一种硅橡胶

5、（折射率约为1.4）对电池进行保护，所以对于减反薄膜，硅橡胶即是外部介质，所以此时最佳的减反膜的折射率为2.35（忽略硅橡胶的反射），即sinnn034. 29 . 34 . 1SiNx薄膜的折射率约为2.0，极其接近电池直接暴露在空气中时减反膜的最佳折射率；当有硅橡胶黏贴膜时，考虑到SiNx薄膜具有其他材料所不具备的良好稳定性，及对硅电池的表面和体钝化作用，所以其还是减反膜的首选材料。9减反射效果减反射效果10减反射效果与光波长的关联可见光的波谱分布11保护半导体器件表面不受污染物质的影响，表面钝化可降低半导体表面态密度。在SiN减反射膜中存在大量的H:a.氢能与硅中的缺陷或杂质进行反应,从

6、而将禁带中的能带转入价带或者导带b.硅烷电离产生的H离子可以去除硅片中的悬挂键，从而起到钝化的作用为什么要进行钝化为什么要进行钝化? 由于太阳电池级硅材料中不可避免的含有大量的杂质和缺陷，导致硅中少子寿命及扩散长度降低从而影响电池的转换效率。PECVD的钝化作用的钝化作用钝化: 制备SixNy膜后的少子寿命为6.6ms， 显然SixNy膜表面钝化效果更好。: bs1110 钝化效果检验钝化效果检验少子寿命少子寿命1213以下是以下是5种多晶材料钝化前后体寿命变化种多晶材料钝化前后体寿命变化:如上图所示,PECVD确实具备体钝化效果.14多晶硅电池镀膜前后的I-V曲线1.减反射膜提高了对太阳光的

7、利用率，有助于提高光生电流密度，起到提高电流进而提高转换效率的作用。2.薄膜中的氢对电池的表面钝化降低了发射结的表面复合速率，减小了暗电流，提升了开路电压，从而提高了光电转换效率；在烧穿工艺中的高温瞬时退火断裂了一些Si-H、N-H键，游离出来的H进一步加强了对电池的钝化。151.工艺原理工艺原理2.PECVD工艺影响因素工艺影响因素3.PECVD的工艺调整原则的工艺调整原则4.检验标准检验标准5.常见异常处理常见异常处理6.工艺流程注意点工艺流程注意点PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition） -等离子增强型化学气相沉积工作原理工作原理-

8、借助微波使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，化学活性很强的等离子很容易发生反应，在基片上形成所需要的薄膜。 1617 通入的特气（硅烷和氨气）在高温和微波源的激发下电离，形成等离子态，并沉积在硅片的表面。膜的厚度主要与温度，腔体内微波源的功率和镀膜时间有关。l反应室通入反应气体 硅烷 SiH4 氨气 NH3l在微波源的激发下电离形成等离子态lSiNx:H沉积在硅片上l磁场的存可以降低微波的频率，促进分子的电离与分解，并且产生更多的二次电子，加快反应进程，减少能量消耗。18zHNSiyx2yx40034HHNSiNHSiHzHSiHSiSSiH6HiH332234004等离子体HN

9、NNH3HH2224003等离子体的形成过程的形成过程19衬底温度衬底温度：SI/N 比例（反应为吸热反应）体流量比体流量比： SI/N 比例，折射率，沉积速度沉积功率沉积功率： 调整P-peak可改变等离子源的扩散长度，沉积率随P-mean轻微增加反应压强反应压强：（平均分子自由程变短，低压增加H钝化效果）速度速度摆放位置摆放位置： 中间膜厚偏大，折射率偏小。RATH&RAU设备操作设备操作可调整参数NH3 flow+SiH4 flow22002021看颜色是否合格（合格的颜色为深蓝，蓝色，淡蓝, 颜色越浅膜厚越厚）色差和水印不超过整体面积的5%镀膜后的折射率在2.052.15，膜厚

10、在80 5nm（生产过程中取每批次任意5片进行折射率和膜厚的测定）反射率6.522l正常片正常片l 常见缺陷常见缺陷表面发白表面发白（膜厚偏厚）（膜厚偏厚）表面脏片表面脏片( (后清后清洗问题）洗问题） 色差色差( (气路堵塞气路堵塞, ,石英管漏气石英管漏气, ,微微波故障等波故障等) ) 白点白点( (后清洗问题）后清洗问题）231.膜厚问题：膜厚问题：SPEC：监测频率一批测5片 （某一框一横排）， 膜厚 80+/-5 mm, 折射率2.052.15 反射率6.524A. 均匀性膜厚均匀性膜厚/折射率偏大或偏小：折射率偏大或偏小：现象：现象：一般中间膜厚偏厚，两侧偏薄。折射率是中间偏小，

11、两侧偏大。所有值应在SEPC之内。异常处理：异常处理： a. 先多量几片，排除量测机台，量测操作，以及单片性，单框性的异常。b. 确定需调整则 先调整折射率 SiH4 flow 100.30.4 (集气系统界面） 再调整膜厚：六管工艺 速度 211.5（工艺腔界面） 注：不能直接在工艺腔/参数界面修改，这样的修改需要重新加载工艺才能生效。记录修改时间及前后参数，多测量几片确定修改效果。异常材料返工。25B.单侧膜厚折射率偏大或偏小：单侧膜厚折射率偏大或偏小：现象：现象：一般两侧膜厚应差不多，但偶尔会出现左边或右边偏红，偏红是说明Wafer偏薄，这是气孔被堵住导致或可能石英管漏气。异常处理：异常

12、处理： 先多量几片，排除单片性，单框性的异常。看目前的折射率是否正常。确定需调整则 调整折射率 SiH4 flow 100.30.4 (集气系统界面）至正常范围内看片子是否仍然发红，膜厚是否达到要求。(气流量也会影响膜厚）调整折射率无效，调整微波。微波调整原则：左侧偏红调整右侧，右侧偏红调整左侧。在工艺腔/参数界面修改，修改后需要重新加载工艺才能生效。停止/加载/开启要注意在工艺腔内没有wafer的情况下进行。因此停止前要记录目前speed/flow。六根管子修改要一致，修改步长建议50，不要超过200 . d. 记录修改时间及前后参数，多测量几片确定修改效果。 e. 异常材料返工。262.色

13、差和白点问题：色差和白点问题：SPEC：监测频率每一片。 色差和水印不超过整体面积的5%27色差：色差：现象：现象：要求深蓝色。（蓝色越浅越厚，红色/桔黄色/土黄色偏薄）异常处理：异常处理： 首先检查整框中色差片出现的位置，测试色差片的膜厚和折射率. 若不是单侧性非硅片堵住气孔引起的异常，无法通过调整微波功率来修复，则应请设备来检查机台状况。 色差片有规律性出现在某一列，可能是由于硅片掉落在工艺腔中挡住部分出气孔，要求设备人员停止工艺取出硅片。 色差片有规律性出现在某一排，可能是运行速度不匀速. 连续整框中出现无规律的色差，可能是由于部分气孔被杂质或者生成的SiNx颗粒挡住出气孔，要求设备人员

14、对所有出气孔进行吹扫，以保证气孔畅通。 检查石墨框上钩子装的是否符合要求，硅片放的是否水平牢固，石墨矿是否淀积太多SiNx物质需要清洗。检查工艺腔反应压强是否符合要求，反射功率的大小是否超标，微波源是否稳定。异常材料返工。28B. 白点，水痕：白点，水痕：现象：现象：白点水痕是前道工序所导致的异常，也有可能是来料的问题。异常处理：异常处理：a. 首先排查是否单片性单框性问题。b. 对切排查是否PECVD的问题。石英管漏气等异常可能导致白斑。c. 停止生产马上通知前道工序检查机台有无异常。协助前道工序排查问题，动作后再做片子检查 有无问题。d. 异常材料返工。29303132 1.在进料过程中发

15、现装载不良现象时在进料过程中发现装载不良现象时,不要用戴着手套的手去调整硅片不要用戴着手套的手去调整硅片, 以防以防 钢丝挂住手套钢丝挂住手套,发生事故发生事故; 2.当石墨框从出料腔出来时当石墨框从出料腔出来时,要戴高温手套去搬运要戴高温手套去搬运,以防烫伤以防烫伤; 3.设备内部清洗或更换石英管时设备内部清洗或更换石英管时,要检查硅烷和氨气的出气口是否堵塞要检查硅烷和氨气的出气口是否堵塞; 4.工艺工艺中断需要重新进行时选择，选择前应查看镀膜情况。中断需要重新进行时选择，选择前应查看镀膜情况。 5.去除去除PSG后，等待时间不能超过后，等待时间不能超过4小时，否则会因为绒面被氧化而导致电学

16、性能变差小时，否则会因为绒面被氧化而导致电学性能变差 6.工艺停止后重新加载时需确认所有工艺参数，停机超工艺停止后重新加载时需确认所有工艺参数，停机超12小时后需用一片来试片。装片时检验硅片表面小时后需用一片来试片。装片时检验硅片表面是否有脏物，若有则返回前道工序清洗。是否有脏物，若有则返回前道工序清洗。 7.工艺腔不能降温，否则工艺腔不能降温，否则SiNx会因为冷却导致应力释放而脱落，堵塞气孔会因为冷却导致应力释放而脱落，堵塞气孔 8.为防止气流不稳等导致的薄膜均匀性问题，石墨舟的每个位置都需要放硅片，硅片不足时，放置假片为防止气流不稳等导致的薄膜均匀性问题，石墨舟的每个位置都需要放硅片，硅

17、片不足时，放置假片 9.每天上班首先应检查石英管的使用寿命，如果快到达，通知设备人员进行更换。更换的过程必须带好防每天上班首先应检查石英管的使用寿命，如果快到达，通知设备人员进行更换。更换的过程必须带好防护装备，同时对工艺腔进行碎片等的清理。护装备，同时对工艺腔进行碎片等的清理。 33 1.RATH&RAU设备结构设备结构2.常见异常处理常见异常处理进料腔加热腔工艺腔冷却腔进料腔-加热腔气压 2.01*10-2mbar温度：400摄氏度进料腔：红外加热加热腔、工艺腔：电阻丝加热机械泵、罗茨泵抽真空：GV600 无水泵是一个装有3 对凸轮爪马达的4 冲程泵，包括一台主泵和一台备用泵。EH

18、4200是一种大排水量真空泵，这种泵由一个三相电机通过液态流进行驱动，其允许在较高的压力下进行操作。气压计 气压开关温度计电阻丝加热机械泵罗茨泵返回运输马达和sensorsPosition sensors Driver红外加热出料腔3435 进料腔(1)加热腔(2)工艺腔(3)冷却腔(4)出料腔(5)进料腔-有预热的作用,在载板进入腔体后, 先冲入N2,再进行抽真空;加热腔 在工艺中起着加热的作用;工艺腔 在等离子及真空条件下,硅烷与氨气在400 C时反应生成Si3N4,覆盖在硅片表面上;进料腔与出料腔 防止特色气体溢出,增加安全性.使电池片体逐渐降低温度冷却水石英管温度设置速度设置气压设置设

19、置功率实际功率反射比率角阀气体流量冷却水36气路图通N2通NH3进料腔：进料腔：通N2开#1门抽真空通NH3开#2门抽真空通N2（循环）出料腔：出料腔：通NH3开#4门抽真空通N2 开#5门抽真空通NH3 （循环）气路图MFC气体流量计大流量气体吹扫管道时所走捷径，MFC不能走大流量气体NH3SiH439晶片装载区：桨、LIFT、抽风系统、SLS系统；炉体：石英管、加热系统、冷却系统；特气柜：MFC 气动阀；真空系统；控制系统； 表示硅片石墨舟进出工艺腔的过程中压力及温度的变化情况。石墨舟进出工艺腔压力温度曲线 41进料腔加热腔工艺腔冷却腔Wafer 在腔体内实际温度在腔体内实际温度 （设置温

20、度（设置温度400，425，425）l加热室温度范围为380-480,实际值与设定值相差较大l反应室温度范围为250-350 ，不同机台/不同位置波动较大测试设备 Datapaq42微波组件主要包括：主供电，微波发射器，磁控头，铜导线，石英管，通气孔及加热器,沉积敷层护槽 。微波传导是影响薄膜淀积速率与均匀性的重要因素。 43微波能量是由微波发生器产生的，微波发生器包括微波管和微波管电源两个部分。其中微波管电源（简称电源或微波源）的作用是把常用的交流电能变成直流电能，为微波管的工作创造条件。微波管是微波发生器的核心，它将直流电能转变成微波能。由于磁控管的结构简单、效率高、工作电压低、电源简单和

21、适应负载变化的能力强，因而特别适用于微波加热和微波能的其他应用。磁控管由于工作状态的不同可分为脉冲磁控管和连续波磁控管两类。由于连续磁控管产生的功率超过石英管接受，所以我们用脉冲磁控管。保证了即使是在相当高的功率峰值平均微波功率仍可被保持在石英管的发热极限之下。也可通过平均微波功率保持在石英管的受热极限以下。磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。内置同轴的石英管与微波发射器相接后可在石英管上进行表面波放电，从而可以激发出

22、高均匀度的微波等离子体，或称之为大区域的线性微波等离子体。 在等离子体区域中加入一个（等离子）磁约束后可减少带电电荷的损失，以提高等离子体密度 ,对石英管的同轴外导管等离子体起到增强和稳定的作用。 44等离子体源简图456根石英管 22孔排两排SiH4,一排NH3SiH4NH34546 46NH3NH3SiH4Carrier direction of motionSiH4SiH4high density plasma zoneafterglow zone of the plasmashieldingquartz tubeantennacarriersProcess direction Face down“ (preferrred direct