单晶硅太阳能电池表面PECVD淀积SiN减反射膜工艺研究

1、南通大学毕业设计（论文）立题卡课题名称单晶硅太阳能电池表面PECVD淀积SiN减反射膜工艺研究出题人施 敏课题表述（简述课题的背景、目的、意义、主要内容、完成课题的条件、成果形式等）近年来，太阳能等可再生能源发展迅速，一些国内光伏企业也跻身世界先进行列。其中晶体硅电池占有90%以上的市场。利用PECVD的方法在晶体硅太阳能电池的表面淀积氮化硅减反射薄膜可以明显提高电池的性能。本课题基于Roth&Rau的SiNA等离子增强化学气相淀积薄膜设备，对淀积氮化硅薄膜的工艺条件进行重点研究。主要内容： 1.了解单晶硅太阳能电池的原理；2.了解PECVD的使用和工作原理；3. 研究PECVD淀积氮

2、化硅薄膜的工艺条件。完成课题条件：PECVD设备、多种气源、检测设备等。成果形式：工艺数据、毕业论文。课题来源科研课题类别毕业设计该课题对学生的要求 适合电子科学与技术专业的学生。教研室意见 该课题侧重半导体器件制造工艺，工作量及难易程度适中，符合专业培养目标和要求。 教研室主任签名：_ _年_月_日学院意见同意立题（）不同意立题（） 教学院长签名：_ _年_月_日注：1、此表一式三份，学院、教研室、学生档案各一份。 2、课题来源是指：1.科研，2.社会生产实际，3. 其他。3、课题类别是指：1.毕业论文，2.毕业设计。4、教研室意见：在组织专业指导委员会审核后，就该课题的工作量大小，难易程度

3、及是否符合专业培养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。5、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题）本课题基于Roth&Rau的SiNA等离子增强化学气相淀积薄膜设备，对淀积氮化硅薄膜工艺条件进行重点研究。主要内容：1. 了解单晶硅太阳能电池的原理；2. 了解PECVD的使用和工作原理； 3. 研究PECVD淀积氮化硅薄膜的工艺条件。研究目标：薄膜重要参数（淀积速率、膜厚度、折射率）与微波功率、衬底温度、淀积时间、NH3/SiH4流量比和淀积腔压力等因素的关系。寻找最佳的工艺方案。关键问题：获得最佳质量膜的工艺条件的选择。课题

4、的研究方法和技术路线研究方法：在熟悉掌握PECVD设备的工作原理、结构基础上，利用该设备进行氮化硅薄膜淀积，探索最佳淀积工艺方案。技术路线：1. 熟悉设备结构，掌握设备使用；2. 熟悉PECVD的工作原理；3. 通过调研及查找资料，获得成熟的工艺方案；4. 获得实验样品，通过测试，再探索最佳淀积工艺方案。基础条件PECVD设备：Roth&Rau SiNA气源：N2，NH3，SiH4测试设备：SE400 型椭偏仪 材料：六英寸单晶硅抛光片参考文献1 施敏著半导体器件物理与工艺（第二版）M苏州： 苏州大学出版社，2004，3593662 关旭东硅集成电路工艺基础M北京：北京大学出版社，20

5、03，122156微电子制造科学原理M北京：电子工业出版社，2003，3263524 陈力俊微电子材料与制程M上海：复旦大学出版社，2005，3503705 Michael Quirk and Julian Serda半导体制造技术M 北京：电子工业出版社，2003，2202306 Thomas Hengst Dr. Saul Winderbaum . ROTH & RAU REMOTE MW-PECVD SINA in-line systems.7 Guillermo Santana, Arturo Morales-Acevedo .Optimization of PECVD SiN

6、:H "lms for silicon solar cells Solar Energy Materials & Solar Cells 60 (2000) 1351428 L.C.-K. Liau, C.-J. Huang, C.-C. Chen, C.-S. Huang, C.-T. Chen, S.-C. Lin, L.-C. Kuo* . Process modeling and optimization of PECVD silicon nitride coated on silicon solar cell using neural networks .Solar

7、 Energy Materials a Solar Cells 71 (2002) 169179本课题必须完成的任务：1. 完成一套PECVD淀积氮化硅薄膜工艺方案。2. 完成样品的测试分析。成果形式工艺数据、毕业论文进度计划起讫日期工作内容备 注3.53.18查阅中外参考文献，翻译一份英文资料。3.193.30消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告。3月30日上交开题报告3.314.29了解PECVD设备的工作原理及使用。4.24.6完成开题答辩4.305.11准备毕业设计中期检查。5月11日前完成中期检查5.125.27探索工艺条件，完成实验样品的制作和测试。5.206.3撰写毕业论

8、文。6月3日交毕业论文草稿6.46.8修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收。6月8日前毕业论文定稿6.96.15准备和进行毕业论文答辩。学生姓名吴超学 号0313046w专业电子科学与技术课题名称单晶硅太阳能电池表面PECVD淀积SiN减反射膜工艺研究阅读文献情 况国内文献 6 篇开题日期国外文献 4 篇开题地点文峰校区西632一、文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）1.课题现状及发展趋势如今世界各国都在大力鼓励太阳能光电产业的发展。据报道，日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4

9、家在日本。德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。太阳能之所以引起全世界的关注，除了因为全球化石能源价格的不断上涨外，另一个重要原因是：由于这些年来人们对太阳能光电池所做的努力，使得太阳能电池的光电转换效率提高到比较实用范围。实验室制得的多晶硅光电池转化率达到19%，单晶硅光电池转化率是25%，砷化镓光电池是25%，在实验室中特制的砷化镓光电池甚至已高达35%-36%。然而众多高效电池只能在实验室中制得，工业化生产的电池转换效率只有15%-17.5%。日本一家知名光伏企业利用超浅结扩散制得的电池转换效率达18%。业内人甚

10、至称这已经接近工业生产的极限。使用PECVD的方法在太阳能电池表面淀积氮化硅减反射薄膜可以降低光线的反射率，提高半导体对光的吸收。同时，氮化硅中含有的氢可以对半导体进行良好的表面钝化和体钝化，这样可以降低载流子的复合率达到增加短路电流的目的。实践证明，经过PECVD淀积氮化硅减反射薄膜后的电池效率提高了40%以上，而电池的短路电流也增加了30%以上。2.课题研究的意义和价值目前，众多国际标准都对太阳能电池质量做出了严格的规定。而世界光伏市场也都是以发电功率对电池进行定价。光伏市场90%以上都是晶体硅电池产品。随着电池厂家产能的迅速扩大，使得太阳级的单晶硅和多晶硅供应紧张，甚至已成为行业发展的瓶

11、颈，这也增加了生产成本。所以，不断提高电池的转化效率和质量对降低生产成本和提高企业竞争力有着重要的意义。在电池表面淀积氮化硅减反膜可以提高电池对光的吸收，从而提高效率。由于其稳定的化学性质又可以对电池提供长期的保护，使电池不会失效。但是，由于设备之间的差异和老化等原因，使得制备的薄膜质量存在许多不稳定性。所以，在生产之前要对设备进行工艺条件的实验，得到最佳的工艺参数。在生产中还要对产品质量进行跟踪，并根据实际情况对工艺参数进行优化。通过这些努力希望能够得到尽可能质量稳定可靠而又高效的电池。本课题将以七综上所述，使用PECVD在太阳能电池上沉积对提高电池效率，保护电池表面，同时可以保证产量，降低

12、成本。我将以SiNA系统为基础来完成设计。SiNA 是德文Silizium（硅）-Nitrid（氮）-Anlage（处理系统）的缩写。它是专门利用PECVD过程来沉积氮化硅薄膜的系统，最初SINA系统只用于研究。SiNA系统是一个模块化的在线生产系统，主要用于太阳电池减反膜的沉积。3.参考文献1 施敏著半导体器件物理与工艺（第二版）M苏州： 苏州大学出版社，2004，3593662 关旭东硅集成电路工艺基础M北京：北京大学出版社，2003，122156微电子制造科学原理M北京：电子工业出版社，2003，3263524 陈力俊微电子材料与制程M上海：复旦大学出版社，2005，3503705 Mi

13、chael Quirk and Julian Serda半导体制造技术M 北京：电子工业出版社，2003，2202306 赵亮. SiNx:H减反射膜和PECVD技术.7 何祚庥. 太阳能引起全世界关注. 中国新能源网.8 Thomas Hengst Dr. Saul Winderbaum . ROTH & RAU REMOTE MW-PECVD SINA in-line systems.9 Guillermo Santana, Arturo Morales-Acevedo .Optimization of PECVD SiN:H "lms for silicon solar

14、 cells Solar Energy Materials & Solar Cells 60 (2000) 13514210 L.C.-K. Liau, C.-J. Huang, C.-C. Chen, C.-S. Huang, C.-T. Chen, S.-C. Lin, L.-C. Kuo* . Process modeling and optimization of PECVD silicon nitride coated on silicon solar cell using neural networks .Solar Energy Materials a Solar Cel

15、ls 71 (2002) 169179二、 课题的基本内容，预计解决的难题本课题基于Roth&Rau的SiNA等离子增强化学气相淀积薄膜设备，对淀积氮化硅薄膜工艺条件进行重点研究。主要内容：1.了解单晶硅太阳能电池的原理；2.了解PECVD的使用和工作原理； 3. 研究PECVD淀积氮化硅薄膜的工艺条件。研究目标：薄膜重要参数（淀积速率、膜厚度、折射率）与微波功率、衬底温度、淀积时间、NH3/SiH4流量比和淀积腔压力等因素的关系。寻找最佳的工艺方案。关键问题：获得最佳质量膜的工艺条件的选择。三、课题的研究方法、技术路线研究方法：在熟悉掌握PECVD设备的工作原理、结构基础上，利用该设

16、备进行氮化硅薄膜淀积，探索最佳淀积工艺方案。技术路线：1.熟悉设备结构，掌握设备使用；2.熟悉PECVD的工作原理；3.通过调研及查找资料，获得成熟的工艺方案；4.获得实验样品，通过测试，再探索最佳淀积工艺方案。四、研究工作条件和基础PECVD设备：Roth&Rau SiNA；气源：N2，NH3，SiH4；测试设备：SE400 型椭偏仪；材料：六英寸单晶硅抛光片。题目： 单晶硅太阳能电池表面PECVD淀积SiN 减反射膜工艺研究 摘 要等离子增强化学气相淀积氮化硅减反射薄膜已经普遍应用于光伏工业中，其目的是在晶体硅太阳能电池表面形成减反射薄膜，同时达到了良好的钝化作用。氮化硅膜的厚度和

17、折射率对电池性能都有重要的影响。探索最佳的工艺条件来制备最佳的薄膜具有重要意义。本课题是利用Roth&Rau的SiNA设备进行淀积氮化硅薄膜的实验，介绍了几种工艺参数对薄膜生长的影响，获得了生长氮化硅薄膜的最佳工艺条件，制作出了高质量的氮化硅薄膜。实验中使用了椭偏仪对样品进行膜厚以及折射率的测量。关键词：等离子增强化学气相淀积，氮化硅薄膜，太阳能电池，光伏效应，钝化ABSTRACTSiN from plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is widely used in P-V industry as an antirefl

18、ection thinfilm on the surface of crystal silicon solar cell. In addition this process takes advantage of an exellent passivation effect. Both the thickness and refractive index of the SiN film make important influences to the performance of solar cells. So it is very important to find the best proc

19、ess parameters to deposit the best film. In this paper, the experiment of SiN film deposition was completed with the equipment named SiNA produced by Roth&Rau. The influence of the parameters to the gowth of the film was introduced based on the experiment, and the best parameters to produce the

20、top-quality SiN film were obtainted. The Spectroscopic ellipsometry was used to test the thickness and refractive index of the samples during the experiment.Key words: PECVD, SiN film, solar cell, photovoltaic effect, passivation目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 太阳能光伏产业发展现状和未来11.2 晶体硅太阳能电池技术的发展11.3 本课题的主要

21、内容2第二章 单晶硅太阳能电池的原理与工艺32.1 p-n结电池的基本结构32.2 p-n结电池的基本原理32.3 单晶硅太阳能电池工艺流程5第三章 PECVD淀积氮化硅薄膜的基本原理83.1 化学气相淀积技术83.2 PECVD的原理和结构93.3 PECVD薄膜淀积的微观过程103.4 PECVD淀积氮化硅的性质113.5 表面钝化与体钝化11第四章 实验134.1 PECVD设备简介134.2 PECVD 设备操作流程144.3 SiN减反射膜PECVD镀制工艺流程154.4 最佳薄膜厚度和折射率的理论计算164.5 实验数据及分析174.6 实验总结19第五章 结束语20参考文献22致

22、 谢23第一章 绪论 从2003年开始，全球化石能源的缺乏引发了能源价格不断攀升，可再生能源也因此得到了更多的重视，太阳能光伏行业迎来了发展的春天。1.1 太阳能光伏产业发展现状和未来近年来，光伏产业一直保持着40%以上的高增长率1。2006年权威分析师MICHAEL ROGOL在其最新的光伏行业报告中预测：2010年底前太阳能电池及组件生产增长6倍，太阳能电池及组件的产量在2010年底前至少将达到10GW(相对于2005年增长530%)，而这大部分仍为晶体硅太阳能电池及组件。在2008-2010年间光伏市场的需求将大大的超出产能所能提供的供给，并且需求比供给增长快的多。目前全球对价格在$3.

23、50至$4.50/W之间组件的需求大约为5GW，远远大于2006年的产量(2.4GW)，这导致组件价格提高了15%及全行业税前30%的平均利润率。光伏产业的快速发展得益于世界上许多国家和政府有力的政策支持。我国现在也在大力支持新能源事业的发展，制定了许多扶植的政策和法规。可再生能源法在2006年1月1日起实施，2005年4月份国家能源领导小组会议已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中长期发展规划、发展重点和目标。国家发改委还同时发布了可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法。国家的这些扶植政策和措施将大力促进我国太阳能光电产业的发展。近几年我国太阳能电池制造业已经凸显了快速发展的势头，尤其是

24、江浙地区涌现了许多优秀企业，如无锡尚德电力有限公司，江苏林洋新能源有限公司，常州天合光能有限公司等。据国家发改委/全球环境基金/世界银行中国可再生能源发展项目办公室估计，2006年底我国太阳能电池产量将达到280MW，而生产能力可达1450MW2。 1.2 晶体硅太阳能电池技术的发展晶体硅太阳电池是光伏行业的主导产品3，占市场份额的90%，尤其是多晶硅太阳电池的市场份额已远超过单晶硅电池的市场份额，自从六十年代太阳能电池作为能源应用于宇航技术以来，太阳能电池的技术得到非常迅速的发展，单晶硅太阳能电池的转换效率已接近25%（单晶硅电池理论上极限转换效率为27%），多晶硅太阳能电池的转换效已接近近

25、20%。由于太阳能光伏电池的高制造成本使得它的发展和应用受到了一定的影响4。而如果太阳能光发电的成本能够下降到10美分/千瓦时，将有巨大的经济效益！所以现在所有的光伏企业以及研究机构都在努力研究更加先进的太阳能电池制作工艺和寻找更好更加廉价的电池材料，以达到提高转化效率，降低成本的目的。对晶体硅电池的研究应遵循以下工艺原则，即低成本、大批量和高效化。薄片化具有双重目的。薄片化可以降低成本，同时薄片电池可以降低载流子的体内复合从而提高光电转化效率。目前硅片厚度已普遍地从370m降到240m，很多厂家已减薄到220m，仍能保持较高的成品率。现在已开始试制200m的薄硅片产品。所以不断减薄硅片厚度，

26、同时又保持高的成品率、产率和转化效率可以大幅降低成本。预计到不久的将来薄片电池可以做到100m5。大片化符合大批量的原则，目前多数光伏企业已能批量生产六英寸和八英寸晶圆硅片。而根据预测，中国有可能在未来156×156（mm）单晶硅片生产上，占有让国际光伏圈内不可小视的一席之地。因为中国有批量生产8吋单晶炉设备的厂家，很多硅片厂家也在上8吋单晶生产线，这些都将大大促进中国光伏产业的发展。通过设计优化太阳电池生产工艺和电池结构，已经研制出了许多高效电池。其中包括PESC电池（发射结钝化太阳电池）、表面刻槽绒面PESC电池、背面点接触电池（前后表面钝化电池）和PERL电池（发射结钝化和背面

27、点接触电池）。由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效率均高于20%，其中保持世界记录（24.7%）的单晶硅和多晶硅电池（19.8%）的转换效率均是由著名的澳大利亚新南威尔斯大学设计的PERL电池实现的。但由于工艺复杂，应用于工业生产成本过高。1.3 本课题的主要内容目前众多光伏企业都采用PECVD的方法在太阳能电池表面淀积一层氮化硅减反射薄膜。这除了可以大大减少光线的反射率外，它还起到了良好的表面钝化和体钝化效果，达到了提高电池的光电转换效率和短路电流的目的。而氮化硅稳定的化学性质起到了抗腐蚀和阻挡金属离子的目的，能够为电池提供长期的保护。所以，高质量的氮化硅薄膜对提高电池性能和质量都有重要

28、作用。本课题主要内容包括对单晶硅太阳能电池的基本原理和基本工艺的介绍，重点讨论其中的PECVD淀积氮化硅减反射薄膜工艺。然后通过实验的方法对淀积薄膜的工艺条件进行研究，根据实验结果对工艺条件进行分析比较，从而获得最佳的工艺参数。第二章 单晶硅太阳能电池的原理与工艺 半导体太阳能电池是基于p-n结的光伏效应发电的。目前发展比较成熟的有晶体硅太阳能电池（单晶硅和多晶硅）、砷化镓电池、非晶硅电池。晶体硅电池因为具有较高的转化效率和比较成熟的制造工艺被广泛的采纳（因为已有成熟的硅集成电路工艺可以应用于晶体硅电池制造）。以下主要介绍单晶硅太阳电池的原理及工艺流程。2.1 p-n结电池的基本结构图2.1为

29、一基本 p-n结电池结构图6。正面为利用晶体表面的各向异性腐蚀原理形成的金字塔形减反射结构；条状物为印刷的正电极；n+为形成欧姆接触的重掺杂；n+为发射极扩散，以形成p-n结；背面为印刷背电场金属层形成背电极；p+为形成欧姆接触的重掺杂。图2.1 p-n结电池基本结构2.2 p-n结电池的基本原理假设入射光垂直pn结面7，如果结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。图2.2 光伏效应原理由于pn结势垒区内存在较强的内建电

30、场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动，p区的电子穿过p-n结进入n区，n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。如图2.2，由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF。在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如图2.3，如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是

31、光电池的基本原理。图2.3 光电池的原理图2.3 单晶硅太阳能电池工艺流程 图2.4为当前比较流行的单晶硅太阳能电池的工艺流程，利用此工艺生产的电池的光电转换效率可达17.4%。图2.4 单晶硅电池的工艺流程图1. 一次清洗由于硅片表面有硅粉，金属离子等污染物，还有在切片过程中留下的损伤层，一次清洗就是为了消除这些影响。主要流程如图2.5所示。图2.5 一次清洗工艺流程一次清洗的另一个主要目的是在电池表面形成绒面，利用NaOH溶液在（100）面上各向异性腐蚀在硅表面形成倒金字塔结构，使光线在硅片表面多次反射，增加阳光的吸收。在反应的过程中需要加入一定量的硅酸钠和异丙醇，以减慢反应速度，防止硅片

32、在反应以后变得很薄，导致碎片率上升。2. 扩散和等离子体刻蚀扩散的作用就是在硅片表面形成PN结，采用P型衬底，在表面扩散N型杂质，扩散源为POCl3，主要的反应如下：5POCl33PCl5+P2O5 （2.1）4PCl5+5O22P2O5+10Cl2 （2.2） 2P2O5+5Si4P+5SiO2 （2.3）扩散是太阳能电池工艺中最为关键的一部，PN结深度大致控制在500nm。这是由生产线的设备和工艺条件所决定的。理论上，较浅的PN结有利于对光的吸收。但是浅结更容易受到后面工艺的破坏而导致电池性能大幅下降，这是相当危险的。结深是通过测量电池的方块电阻来间接控制的，一般在3545/。日本的一家较

33、为先进的光伏企业可以将方块电阻控制在90/，同时可以保持高达18%的光电转化效率。扩散完成以后，进行等离子体刻边，主要是使用高能离子束将电池边缘清除。把有磷扩散在硅片边缘去除，防止电池的边缘漏电。3. 二次清洗在刻蚀完成以后，进行二次清洗，主要目的是去除硅片表面的磷硅玻璃（含有磷的SiO2）, 流程如图2.6所示。 图2.6 二次清洗工艺流程表面残留磷硅玻璃的电池在镀膜时会出现白色花纹，这经常出现在电池边缘，使电池出现白边。这既影响电池性能，又影响电池的外观。4. 淀积减反射膜在电池表面利用等离子增强化学气相淀积（PECVD）氮化硅减反射薄膜，此工艺除了可以大大减少光线反射外，还可以达到良好的

34、表面钝化和体钝化效果。这也是本文将要讨论的主要内容。5. 丝网印刷丝网印刷是在电池的正反两面印制电极和电场。主要流程如图2.7所示。:图2.7 丝网印刷工艺流程正电极印刷工艺要求栅线既高又细，目的是降低电极的体电阻以及尽量减小电极对电池的覆盖面积，从而增大受光面积。背电场印刷除了降低电池串联电阻外，还可以达到背电场钝化的目的。背电场印刷不可过厚，否则烧结后会使电池的弯曲度过大。6. 测试分选采用国际标准规定的准稳态光源测试电池成品的转化效率、串联电阻、并联电阻、短路电流、开路电压等电学参数。另外还要控制电池的外观质量，并将电池分出等级。成品的电池片不可以直接用来发电，因为考虑到单晶硅电池易碎，

35、以及可能受到金属离子及水汽等外界污染会影响电池性能。通常要对电池片进行封装保护。由于单片电池的电势很小，通常将电池串联并封装成电池组件，如电池板、玻璃幕墙等。第三章 PECVD淀积氮化硅薄膜的基本原理用PECVD的方法在晶体硅太阳能电池表面淀积氮化硅减反射薄膜因为具有良好的减反射作用，同时达到了良好的表面及体钝化效果。其低温工艺又有效的控制了生产成本，而且保证了较高的产率（15000片/12h）。这些优点使得它受到了大多数光伏企业的青睐。3.1 化学气相淀积技术半导体工艺中要使用到许多薄膜淀积技术8。根据不同的用途，需要使用不同的方法来淀积薄膜。如栅极氧化膜和场氧化膜均需要用热氧化的方式，因为

36、只有通过热氧化的方式才能提供具有最低界面陷阱密度的高品质氧化膜。介电薄膜主要用来做分立器件或集成电路中金属层绝缘隔离和保护层。用化学气相淀积的二氧化硅或氮化硅可以用来做介质膜。CVD(Chemical Vapor Deposition)技术是使用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成）形成固态物质淀积在衬底上的方法。它与真空蒸发和溅射技术并列，是应用较为普遍的一种薄膜淀积技术。它有以下特点：(1)淀积温度低；(2)可以淀积各种电学和化学性质都符合要求的薄膜；(3)均匀性好；(4)操作简便，适于大量生产；几种比较流行的CVD技术的基本工艺条件对比如下：APCVD常

37、压CVD，700-1000； LPCVD低压CVD, 750, 0.1mbar； PECVD 300-450 ，0.1mbar（1bar=1×105Pa）。通过对比可以看出PECVD的一个基本特征是实现了薄膜淀积工艺的低温化（<450）。因此带来的好处是：(1)节省能源，降低成本；(2)提高产能；(3)减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减。3.2 PECVD原理和结构PECVD技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。

38、PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相淀积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜淀积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温实现。 微波PECVD是在400，1.5×10-1mbar的低温低压情况下，利用高频（频率是2.45GHz）电磁辐射使反应气体等离子体化，等离子体可看成由高能电子20eV、低能粒子0.3eV和中性气体0.05eV组成。从宏观上看这种等离子体的温度不高，但其内部却处于受激发状态，其电子能量足

39、以使气体分子键断裂，它们可以提供化学气相淀积过程所需要的激活能Ea。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著减低了CVD薄膜淀积的温度范围。SiN薄膜的淀积过程发生的化学反应式如下： 3 SiH4 SiH3+ SiH22-+ SiH3-+ 6H+ （3.1） 2 NH3 NH2-+ NH2-+ 3 H+ （3.2）总反应式： 3 SiH4 + 4 NH3 Si3N4 + 12 H2 （3.3）如今，PECVD技术已经发展到比较成熟的阶段，出现了基于不同等离子体激发原理的PECVD设备。国内已经生产出了较为稳定的可用于生产和研究的设备

40、。以下介绍两种基本的PECVD设备结构11,12。直接式基片位于一个电极上，直接接触等离子体（激发源：低频放电10-500kHz或高频13.56MHz），如图3.1所示。直接式PECVD易于产生均匀浓度的等离子体，有利于沉积均匀的薄膜，且具有低的针孔密度，适合于制作集成电路工艺的介电层以及器件保护层。图3.1 直接式PECVD结构间接式基片不接触激发电极（激发源：2.45GHz微波激发等离子），如图3.2所示。间接式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

41、的要高很多，这对大规模生产尤其重要。图3.2 间接式PECVD结构3.3 PECVD薄膜淀积的微观过程如图3.3所示，工艺腔中的等离子基团先在电池表面形成沉积核心，接着其他离子由于电荷吸引等作用在硅片表面不断的聚集、生长，这种过程的同时还伴随着薄膜扩张，兼并等过程的发生，最后形成均匀的SiNx 减反射膜。成膜过程经历了成核阶段，成长阶段，扩张阶段和成形阶段。图3.3薄膜生长微观过程3.4 PECVD淀积氮化硅的性质在太阳能电池表面淀积减反射薄膜可以大大减少光线反射。SiO2、TiO2、SiNx等都可以作为减反射膜9。传统太阳能电池是用TiO2作为减反射膜的，其折射率虽然接近晶体硅太阳电池最佳光

42、学减反射膜的理论值，但是它对半导体没有表面钝化功能，SiO2 的折射率(1.4)太低，光学减反射效果不好，而且不能起到阻挡Na+离子的作用。与之相比，SiNx具有以下优势：优良的表面钝化效果；高效的光学减反射性能；低温工艺（有效降低成本）；含氢SiNx:H可以对衬底提供体钝化；卓越的抗氧化和绝缘性能，良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽扩散的能力；良好的化学稳定性，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用。 3.5表面钝化与体钝化太阳能电池是一种少数载流子工作器件，当光照射到一个P型半导体的表面上，光在材料内的吸收产生电子与空穴对。在这种情况下，电子是少数载流子，它的寿命定义为从其产

43、生到其与空穴复合之间所生存的时间。少数载流子在电池内的寿命决定了电池的转换效率。因此要提高电池的转换效率，就必须设法减少少数载流子在电池内的复合，从而增加少数载流子的寿命。影响少数载流子寿命的因素有:体内复合、表面复合和电极区复合。正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。但是PECVD淀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。而H可与Si形成H-Si键，所以可通过H钝化来降低表面复合和体内复合。减少电极区的复合可采用将电极区的掺杂浓度提高，从而降低少数

44、载流子在电极区的浓度。减少载流子在此区域的复合。如图3.4显示半导体表面的悬挂键10。由于晶体结构在表面突然中断，因此在表面区域产生了许多局部的能态，或是产生-复合中心，这些称为表面态(surface states)的能态，会大幅度增加在表面区域的复合率。图3.4半导体表面悬挂键由于PECVD氮化硅中含有大量的氢原子，可以很好的填补表面悬挂键，从而达到良好的表面钝化效果，大大降低了表面态密度，从而显著增加短路电流。因为半导体内部总是存在许多缺陷，所以存在一定的内部悬挂键。而在后面的烧结工艺中，氮化硅减反射膜中存在的大量的氢被驱赶到半导体内部，复合掉体内的悬挂键，从而达到了很好的体钝化效果。19

45、81年，Hezel 和Schorner 首先将等离子增强化学气相淀积( PECVD) SiN x : H 薄膜的技术引入晶体硅太阳电池的制作工艺中，随后便成功地开发出了转化效率为15 %15.8 %的MIS - IL 太阳电池。自此，用PECVD 法沉积的SiN x :H 作为晶体硅太阳电池的光学减反射及钝化膜，引起了人们极大的兴趣,出现了PESC、PERC、PERL 等新型结构的高效太阳电池。最近几年的发展说明，PECVD 法淀积的SiN x :H 是获得高效晶体硅太阳电池最有效的手段之一。第四章 实验 本实验利用SINA系统进行了薄膜淀积实验，并使用SE400 型椭偏仪对薄膜的厚度和折射率

46、进行测量，实验所用硅片为6英寸抛光单晶硅片。4.1 PECVD设备简介图4.1为Roth&Rau AG生产的SINA系统，它是专门利用PECVD过程来淀积氮化硅薄膜的系统13。SiNA系统是一个模块化的在线生产系统，主要用于太阳电池减反射薄膜的淀积。图4.1 SINA系统外观图4.2 SINA 系统示意图图4.2 为SINA系统示意图。SINA系统有三个腔体，分别是进料腔，反应腔（包括预热、淀积和冷却三部分）和出料腔。各腔体直接有闸门阀隔开。除了腔体，其它主要部分包括真空泵系统，真空监测系统，气体供应系统，等离子体源(微波发生器），冷却水系统，硅片传送系统和衬底加热系统等。薄膜淀积发生

47、在工艺腔中，图4.3为工艺腔的结构图。工艺腔包括气源供给装置，共轴外部等离子体传导，石英管和内部导体，磁控系统。载着硅片的石墨框从工艺腔上部流过。石英管内部导体两端连接微波源，石英管起到保护导体的作用。磁控系统可降低沿石英管方向的等离子体浓度不均匀性，还起到了在气源波动时稳定等离子体浓度和降低远离微波源处的等离子体浓度衰减。使得薄膜更加均匀14。图4.3 工艺腔结构图4.2 PECVD 设备操作流程(1) 开启设备总电源开关，主控微机自动启动，SINA主控程序自动运行；各系统自动复位。(2) 开启真空泵系统，将反应腔抽至9.9×10-3mbar；(3) 打开总反应气源阀(SiH4和N

48、H3)，打开氮气供应阀；(4) 打开冷却水供应阀；(5) 打开参数输入界面，并输入工艺参数，并在实验中改变需要改动的参数；(6) 点击START按钮，系统自动运行；(7) 装片完成并确认后，石墨框被自动放置到进片传送带上。打开跟踪界面，屏幕显示如图4.2，由此可以跟踪观察硅片的位置；(8) 镀膜完成后，石墨框自动传至卸片台，卸片完成并确认后，石墨框通过返框传送带自动传回装片台。4.3 SiN减反射膜PECVD淀积工艺流程由人工将硅片装入6×6的石墨框中，放片时应注意片子的位置，不能翘片、斜片等，否则会引起镀膜不均匀。石墨框在传送带的带动下进入进料腔，接着一号门关闭，真空泵将进料腔抽成

49、真空，红外加热器（加热器1）对硅片迅速加热到400，加热时间十几秒。因为是迅速预加热，加热器1的温控不太稳定，有5的浮动。硅片达到预定温度后，进入沉积腔的第一部分加热腔，二号腔门关闭，进料腔充氮气到一个大气压，等待下一批硅片的进入。在加热腔中，温度稳定在400的值保持不变，加热器2为普通加热装置，但控温系统好，使硅片保持恒温。工艺腔中，充满着被功率3000W微波辐射电离的反应气体，如前所述，等离子体中充满着活性基团。在石墨舟移动进入到工艺腔后，沉积反应在硅片上发生，氮化硅薄膜慢慢沉积形成。镀膜完成以后，石墨舟载着镀膜完成的硅片进入冷却腔，用1822冷却水冷却硅片，稳定薄膜性质。三号腔门打开，石

50、墨舟进入处于处于真空状态的出料腔。在出料腔中，冷却水继续对硅片降温，以便在出料后人工取片。三号门关闭后，真空泵对腔体充氮气至一个大气压后，四号腔门打开出片。在下料区，人工取片，装盒，流入下一个工序。经过以上工艺步骤，可以在硅片上做出均匀的呈深蓝色减反膜。图4.4为在石墨框中的镀膜电池片。图4.4 石墨框中的镀膜电池片4.4 最佳薄膜厚度和折射率的理论计算图4.5中显示了四分之一波长减反射膜的原理15。从薄膜下表面返回到薄膜上表面的反射光与从上表面的反射光相位相差180度，所以前者在一定程度上抵消了后者。这样就减少了光能的反射部分能量而更多的能量则进入到半导体中。假设光线垂直入射，分析如下：由于

51、反射存在半波损失，所以上、下表面的反射光光程差为：=(2n1d1+/2) - /2=2n1d1 （4.1） 两光干涉相消时： =2n1d1=(2k+1)/2 (k=0,1,2) （4.2）取k=0时，得 n1d1=/4 （4.3）图4.5 薄膜的减反射与增反射对比原理图如图4.6所示，太阳光在波长=600nm处能量最强，所以减反射膜参数应该使600nm的光线反射最小。另外，折射率反映了薄膜的致密性和结构均匀性，同时也影响了薄膜的减反射能力。 根据公式n12=n0n2 (n0=1为空气折射率，n2=3.85为本征硅折射率)，解得氮化硅薄膜折射率n1=1.92。但是考虑到组件生产时封装材料的影响，

52、 n1取2.02。将和n1的值代入到式4.3中，可以得到厚度d1=75nm，实际中取70nm80nm。图4.6 AM1.5的能量分布4.5 实验数据及分析本实验拟验证五种工艺参数对薄膜性质的影响：NH3/SiH4流量比、衬底温度、工艺腔压强、微波功率、带速。经过分析综合，最后设定了11次实验，可以将其分为五组加以讨论。每次实验使用五片抛光片，测试结果使用其平均值。实验使用微波源频率为2.45GHz。另外，由于抛光片的表面结构不同于经过制绒后的硅片表面，所以做出的薄膜厚度要比后者厚25nm。以下是对每组数据的分别分析。（1）NH3/SiH4流量比对薄膜的影响表4.1 不同的气流比的实验数据NH3

53、/SiH4衬底温度()微波功率(w)工艺腔压强(mbar)带速cm/min膜厚nm折射率1200/80040030001.5×10-1701032.111450/55040030001.5×10-1701022.011700/30040030001.5×10-170981.86（其中气体流量的单位为sccm/PS，1bar=1×105Pa，文中其它数据相同）由表4.1的数据可以看出，NH3/SiH4气体流量比对薄膜的厚度影响较小，但是对薄膜的折射率影响较大。同时我们可以发现，NH3/SiH4 气体流量比越小，折射率越大，这是因为在气体流量中SiH4含量增

54、加，使得薄膜中的Si比例增加的缘故。当NH3/SiH4小于1.2时会产生富硅现象。过量的硅含量会导致薄膜对光的吸收增大，即降低了薄膜的透性，显然会降低电池性能。（2）衬底温度对薄膜的影响从表4.2的数据可以看出，衬底温度升高时，等离子体在衬底表面成膜的过程会减慢，主要是因为增加了衬底表面原子的活性和迁移率，等离子体中离子的动能增加了，所以沉积核对离子的吸引变得困难，从而使得沉积速度降低。较低的沉积速度使薄膜致密性较好，折射率也会变大。表4.2 不同的衬底温度的实验数据衬底温度()NH3/SiH4微波功率(w)工艺腔压强(mbar)带速cm/min膜厚nm折射率3501450/55030001.5×10-1701191.984001450/55030001.5×10-1701022.014501450/55030001.5×10-170782.04（3）微波功率对薄膜的影响微波功率决定了工艺腔体中反应气体的电离情况，这是一个复杂的参数，受到设备和微波自身性质的影响。由表4.3的数据可以看出，微波功率的大小可以决定薄膜的厚度，对折射率的影响较小。当