太阳能电池片PECVD课件

1、太阳能电池片太阳能电池片PECVD PECVD的介绍 ? PECVD : ? Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition ? 等离子增强化学气相沉积 ? 等离子体： ? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会 使气体分子产生电离，这样物质就会变成自由 运动并由相互作用的正离子、电子和中性粒子 组成的混合物。 PECVD的目的 ? 在太阳电池表面沉积 深蓝色减反膜-SiN膜。 减少光的反射，增加 电池对光线的吸收。 ? 对电池的正表面进行H 钝化 ? 对电池正表面进行保 护，防止氧化 inverted pyramids finger p p- silic

2、on n p p oxide rear contactoxide + + p + + n + SiNx:H SiNx:H介绍 ? 正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。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 ? Si/N比对SiNx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 PECVD的钝化作用 ? 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

3、硅中少子寿命及扩散 长度降低从而影响电池的转换效率。 ? H的钝化机理: ? 主要原因是:H能与硅中的缺陷或杂质进行反应， 从而将禁带中的能带转入价带或者导带。 PECVD的钝化作用 ? 钝化太阳电池的受光面 ? 钝化膜(介质)的主要作 用是保护半导体器件表 面不受污染物质的影响， 半导体表面钝化可降低 半导体表面态密度。 ? 钝化太阳电池的体内 ? 在SiN减反射膜中存在 大量的H，在烧结过程 中会钝化晶体内部悬挂 键。 PECVD对电性能影响 ?1.减反射膜提高了对太阳光 的利用率，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

4、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。 PECVD:直接式 PECVD:间接式 ? 间接PECVD的特点： ? 在微波激发等离子的设 备里，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，这 对大规模生产尤其重要。 PECVD的工艺原理 ? 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

5、度主要与温度，腔体内微 波源的功率和镀膜时间有关。 ? 反应室通入反应气体 ? 硅烷 SiH4 ? 氨气 NH3 ? 在微波源的激发下电离形成等离子态 ? SiNx:H沉积在硅片上 等离子体产生图例 SixNyHz的形成过程 ? 2yx 400 34 HHNSiNHSiH z ? ? ?HSiHSiSSiH 6HiH3 3 2 23 400 4 等离子体 ? ?HNNNH 3HH2 2 2 400 3 等离子体 PECVD特气的性质（1） ?氨气（NH3）: 是一种刺激性、无色、气体。 ?氨气会严重灼伤眼、皮肤及呼吸道。当它在空气中的浓度超过 15%时有立即造成火灾及爆炸的危险。 ?暴露在氨气

6、中会对眼睛造成中度到重度的刺激。氨气强烈地刺 激鼻子、喉咙和肺。症状包括灼伤感、咳嗽、喘息加重、气短、 头痛及恶心。过度暴露会影响中枢神经系统并会造成痉挛和失 去知觉。暴露在5000ppm下5分钟会造成死亡。 ?紧急救助 ?眼睛接触：用大量的水冲洗，立即进行医疗处理。 ?吸入：将人员移到空气清新处，若呼吸困难，则输氧，并迅速 进行医务处理。 ?皮肤接触：用大量水冲洗，立即脱掉被污染的衣服，并立即进 行药物处理。 PECVD特气的性质（2） ?硅烷(SiH4): 是一种无色、与空气反应并会引起窒息的气体。 ?硅烷与空气接触会引起燃烧。它的首要危害是引起严重的热灼 伤。严重时会致命。如没有自燃会非

7、常危险，不要靠近，不要 试图在切断气源之前灭火。 ?硅烷会刺激眼睛，硅烷分解产生的无定型二氧化硅颗粒会引起 眼睛刺激。 ?吸入高浓度的硅烷会引起头痛、恶心、头晕并刺激上呼吸道。 过度吸入会引起肺炎和肾病。硅烷会刺激皮肤、硅烷分解产生 无定型二氧化硅颗粒会引起皮肤刺激。 ?紧急救助 ?眼睛接触：应立即用水冲洗至少15分钟，水流不要太快，同 时翻开眼睑，立即寻求眼科处理； ?皮肤接触：用大量的水清洗至少15分钟，脱掉被污染的衣服， 如果患者有持续的刺激感或其他影响需立即进行医疗处理。 ?吸入：尽快移到空气清新处，如有必要须进行输氧或人工呼吸。 PECVD的影响因素 ? 1频率 ? 射频PECVD系

8、统大都采用50kHz13.56 MHz 的工业频 段射频电源。较高频率（ 4MHz）沉积的氮化硅薄膜具 有更好的钝化效果和稳定性。 ? 2射频功率 ? 增加RF功率通常会改善 SiN膜的质量。但是，功率密度 不宜过大，超过 1W/cm2时器件会造成严重的射频损伤。 ? 3衬底温度 ? PECVD膜的沉积温度一般为 250400。这样能保证 氮化硅薄膜在HF中有足够低的腐蚀速率，并有较低的本 征压力，从而有良好的热稳定性和抗裂能力。低于 200下沉积的氮化硅膜，本征应力很大且为张应力， 而温度高于450时膜容易龟裂。 PECVD的影响因素 ?4气体流量 ?影响氮化硅膜沉积速率的主要气体是SiH4

9、。为了防止富硅膜， 选择NH3/SiH4=220（体积比）。气体总流量直接影响沉 积的均匀性。为了防止反应区下游反应气体因耗尽而降低沉积 速率，通常采用较大的气体总流量，以保证沉积的均匀性。 ?5反应气体浓度 ?SiH4的百分比浓度及SiH4/NH3流量比，对沉积速率、氮化 硅膜的组分及物化性质均有重大影响。 ?理想Si3N4的Si/N0.75，而PECVD沉积的氮化硅的化学计 量比会随工艺不同而变化，但多为富硅膜，可写成SiN。因此， 必须控制气体中的SiH4浓度，不宜过高，并采用较高的SiN比。 除了Si和N外，PECVD的氮化硅一般还包含一定比例的氢原子， 即SixNyHZ或SiNx :

10、H。 ?6反应压力、和反应室尺寸等都是影响氮化硅薄膜的性能工 艺参数。 PECVD设备 PECVD设备 PECVD设备 ? 设备结构 ? 晶片装载区 ? 炉体 ? 特气柜 ? 真空系统 ? 控制系统 PECVD设备结构 PECVD晶片装载区 ? 桨、LIFT、抽风系统、SLS系统。 ? 桨：由碳化硅材料制成，具有耐高温、防变形 等性能。作用是将石墨舟放入或取出石英管。 ? LIFT：机械臂系统，使舟在机械臂作用下在小 车、桨、储存区之间互相移动。 ? 抽风系统：位于晶片装载区上方，初步的冷却 石墨舟和一定程度的过滤残余气体 ? SLS系统：软着落系统，控制桨的上下，移动范 围在23厘米 PEC

11、VD炉体 ?石英管、加热系统、冷却系统 ?石英管：炉体内有四根石英管，是镀膜的作业区域，耐高温、 防反应。 ?加热系统：位于石英管外，有五个温区。 ?冷却系统：是一套封闭的循环水系统，位于加热系统的金属外 壳，四进四出并有一个主管道，可适量调节流量大小。 ?冷却系统的优点: ?没有消耗净室空气 ?不同管间无热干涉 ?炉环境的温度没有被热空气所提升 ?空气运动（通风装置）没有使房间污染 ?噪音水平低 PECVD冷却系统示意图 PECVD真空系统 ? 真空系统 ? 真空泵：每一根石英管配置一组泵，包括主泵 和辅助泵。 ? 蝶阀：可以根据要求控制阀门的开关的大小， 来调节管内气压的 PECVD控制系

12、统 ? 控制系统 CMI:是 Centrotherm 研发 的一个控制系统，其中界面包括 Jobs（界 面） 、System（系统）、Catalog（目 录）、Setup（软件）、Alarms（报警）、 Help（帮助）. ? Jobs:机器的工作状态。 ? System:四根管子的工作状态，舟的状态以及 手动操作机器臂的内容。 ? Datalog:机器运行的每一步。 PECVD控制系统 ?Setup: 舟的资料的更改，工艺内容的更改，使用权限 ? 的更改，LIFT位置的更改，CMS安区系统 （安装的感应器 将监控重要系统的运行情况，而一旦不受管的计算机的控制， CMS将会发生作用，所有的错误

13、信息也都会在CIM上得以简洁 的文本方式显示出来）的更改等。 ?Alarms：警报内容 ?Help:简要的说了一下解除警报以及其他方面的方法 ?CESAR:控制电脑，每一个系统都安装了CESAR控制电脑及 CESAR 控制软件，此控制电脑独立于主电脑系统中。 PECVD控制系统示意图 设备结构 进 料 腔 加 热 腔 工 艺 腔 冷 却 腔 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sensors Position sensors Driver 红外加热 出 料 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

14、：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。 EH4200 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。 PECVD过程 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

15、 . 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 设置功率 实际功率 反射比率 角阀 气体流量 冷却水 PECVD等离子体源简图 微波发生器 真空腔 基片 PECVD电池片检验标准 ? 看颜色是否合格（合格的颜色为深蓝，蓝色 ，淡蓝） ? 色差和水印不超过整体面积的5% ? 镀膜后的折射率在2.02.20，膜厚在80 5nm（生产过程中取每批次任意6片进行 折射率和膜厚的测定） 镀膜后电池片 正常片 常见缺陷 表面发白 表面脏片 色差 白点 水纹片 PECVD异常处理 异常 诊断 措施 整体镀膜颜色不 符合要求 氮化硅层厚度偏离正常范 围 调整带速至颜色符合要求，偏紫增加