PECVD培训(原理).ppt

1、党纪东王虎2010-7-19日，PECVD训练(原理部分)，整理人费正洪，内容概说，PECVD的防反射效果，PECVD的钝化效果，PECVD的薄膜形成反应历程，PECVD的工艺残奥计的影响， 从第二界面到第一界面的反射光与来自第一界面的反射光有相位差180，因此前者在某种程度上抵消了后者。 在通常的入射光束中，从复盖厚度d1的透明层的材料开始，表面反射的能量所占的比例由下式表示。 其中，r1、r2分别是外气-膜和膜-硅界面的菲涅耳反射系数，是膜厚引起的相位角。 n1d1=0/4时，反射具有最小值：否则理论反射率为零。 由于空气中硅表面的折光率nsi3.8，减反射膜的最佳折光率是硅折光率的平方根

2、n1.95。 硅电池在被模数化后，被封入玻璃(n 1.5 )的下面，由于在中间还考虑了EVA，所以此时的减反射膜的最佳折光率是n2.3。 右图的格拉夫显示了在空气中和玻璃下的硅表面分别复盖折光率为1.9和2.3的减反射膜，从硅表面反射的入射光的比例和波长的关系。 减反射膜被设定为，在波长约600nm处产生最小的反射。 被复了减反射膜的硅表面能反射的光的加权分数超过10%，裸硅表面超过30%。 为了防止晶界偏聚中的光散射问题，减反射膜通常作为非晶质或不定形的薄层堆积。 用尺真空镀膜形成的防反射层一般在紫外波段产生吸收。 但是，通过氧化或阳极氧化堆积的金属薄层的工艺形成的防反射层和通过化学堆积工艺

3、形成的防反射层大多具有玻璃结构(小的非晶质体结构)，减少紫外线的吸收。 可见光光谱中的位置、太阳能电池片的单晶硅和多晶硅材料存在许多杂质和缺陷，而这些个的杂质和缺陷则会向结晶硅中导入深能级，显着降低硅中少数载流子的寿命，影响太阳能电池片的短路电流和电池的转换效率。 少量的氢与硅中的缺陷和杂质发生作用，可以形成几个复合物。 由于这些个的复合物大多是电中性的，硅中的氢可以使杂质和缺陷的电活性钝化。 不仅可以使晶体的表面和界面钝化，还可以与金属杂质结合，去除或改变对应的深能级。 另外，氢与位错上的悬挂键结合，能够达到去除位错的电活性的目的的氢也与空穴发生作用，能够形成VHn复合体的氢使通过氧化导入的

4、点缺陷钝化，也能够改善去老虎钳性能。 PECVD沉积氮化硅薄膜的钝化太阳能电池片的作用原理上是薄膜中丰富的氢对基板硅中的杂质和缺陷的钝化。 硅中氢的存在形态主要取决于温度、渡越大头针类型和浓度、氢的浓度、缺陷情况等，低温时，氢在硅中总是以3种状态存在： 1、被吊在缺陷位置上受到约束，形成多重态的Si-H键， 该状态的氢原子具有最低的势能2 .在无缺陷的位置上存在稳定的氢分子H2 .在平衡条件下氢分子占硅四面体片的中心位置，此时其电学和光学性质不活泼，低温时也难以移动。 3 .氢是硅中最重要的形态是原子氢。 氢原子占据所谓的金属位点，对于没有被束缚的氢来说是能量最低的方式。 在室温下，氢一般不能

5、作为单独的氢原子或氢络离子存在，而总是作为复合物存在于硅中。 在烧结过程中，由于高温，丰富的氢原子向内侧扩散到硅片镀膜的后表面，能够使硅片的更深的表兄弟过滤钝化。 因此，镀敷后烧结的硅片测试的少子寿命比PECVD镀敷后的少子寿命高。 PECVD可以根据电镀方式分为直接法和间接法，可以根据设备分为管式和板式，也可以根据激发方式、不同的射频波功率等进行细分。在直接PECVD设备中，SIH4和NH3与云同步交变电所激发产生等离子体，样品直接置于等离子体中，表面受到冲击，可以通过烧结的热处理进行补偿。 间接PECVD设备中只有NH3被交变电所激发，而且样品远离等离子体。 被激发的等离子体进入反应器，与

6、SIH4反应堆积在硅片表面。 该方法产生的等离子体密度高，因此沉积速率也大多直接大于PECVD，另一个显着优点是等离子体远离硅片表面，从而大大减少了电池表面的损伤。 岛津的直接式PECVD、RothRau的间接式PECVD，是将(1)管式PECVD系统：扩散管之类的石英管用作堆积室，将电阻炉用作加热体，将能够放置多片硅片的碳石墨板放入石英管中进行堆积。 该设备的主要制造商是德意志的迅驰，中国第四十八研究所，七星华创公司。 (2)板式PECVD系统：将多片硅片放置在一个黑金属铅或碳纤维布支架上，装入一个金属沉积腔，腔内有平板型电极，与样品支架形成一个放电电路，腔内的工艺瓦斯气体在两个极板之间的交

7、流电场作用下在空间中(1)微波法：使用微波作为激发等离子体的频带。 将微波源置于样品区域外，分离阿摩尼亚瓦斯气体后使硅烷瓦斯气体碰撞，SiNx分子在样品表面堆积。 该装置目前的主要制造商是德意志的RothRau公司。 (2)直流电法：用直流电源激发等离子体，使阿摩尼亚瓦斯气体和硅烷瓦斯气体进一步分离。 样品也与等离子体接触。 这个设备是荷兰的OTB公司生产的。 间接法分为两种：不同的PECVD设备的工作频率为： 250 kHz :岛津公司的板式直接法系统440 kHz:Semco公司的板式直接法460 kHz:Centrotherm公司的管式直接法13.6 MHz:Semco公司和MVSyst

8、em公司的板式直接法系统250 kHz 系统、各种设备的镀膜比较：这种比较也是某些特定沉积条件下的一般比较，通过改变沉积条件可以改变薄膜的特性。 一般来说，用PECVD技术制造薄膜材料时，薄膜的生长主要包括以下三个基本过程： (1)在非平衡等离子体中，电子与反应瓦斯气体一级反应，反应瓦斯气体分解，形成络离子与活化基团的混合物；(2)各种活化基团被扩散输送到薄膜生长表面和管壁， 产生各反应物之间的二级反应(3)到达生长表面的各种一级反应和二级反应生成物被吸附与表面反应的同时，伴随气相分子物的再放出。 具体而言，(1)在辉光放电条件下，硅烷等离子体中的电子具有数ev以上的能量，因此H2和SiH4受

9、到电子的碰撞而分解，这种反应为一级反应。 如果不考虑分解时的中间激发态，根据基态分子的标准生产热修正计算，上述各离解过程(2.1)(2.5)所需要的能量为2.1、4的顺序即sihm(m=0、1、2、3 )和生成原子h的离解反应得到以上的各电离反应(2.6)(2.9)所需要的能量12.3、13.6和15.3ev，由于反应能量的不同，(2.1)(2.9 )发生各反应的概率极不均匀。 另外，由反应过程(2.1)(2.5 )生成的SiHm也引起如下二级反应电离，例如，如果这些个的反应通过单电子过程进行，则需要约12ev以上的能量。鉴于通常制作硅系薄膜的气体压强条件(10100Pa )，在电子密度约为1

10、010cm-3的弱电分离等离子体中，由于10ev以上的高能源电子数少，累积电离的概率一般也比激发概率小，所以在硅烷等离子体中上述分离的比例小， SiHm的中性化学基占支配地位，因此所需能量不同，(2)除上述解离反应和电离反应外，络离子分子间的二级反应也很重要，因此关于络离子浓度，SiH3比SiH2多。 他能说明在通常的SiH4等离子体中SiH3络离子比SiH2络离子多的原因。 另外，还会发生从等离子体中的氢原子夺取SiH4中的氢的分子-原子碰撞反应：这是发热反应，也是形成乙硅烷Si2H6的前驱反应。 当然，这些个的化学基不仅处于基态，还在等离子体中被激发态。 研究了硅烷等离子体的激发色光谱，结果发现存在Si、SiH、h等光学容许跃迁激发态，也存在SiH2、SiH3的振动激发态。 (三)硅烷等离子体中的分离化学基仅在低气压(5*10-3Torr )高电离的等离子体条件下对薄膜沉积有显着贡献，在一般的硅薄膜沉积条件下，各种中性化学基的含量远大于分离化学基，SiH4分解中性化学基是薄膜生长过程中最重要的活性物质。 由于薄膜生长表面的悬挂键通常在h钝化，对于SiH2和SiH3等含氢活化基团，表面反应必须经过耦合吸收和氢释放的过程，氢释放是该反应不可或缺的过程。 用SiH2说明该过程