PECVD培训(原理)

1、 党纪东 王 虎 2010-7-19日整理人 费正洪 124 4 42PECVD的减反射效果PECVD的钝化效果PECVD的薄膜形成机理PECVD的工艺参数影响 1第一部分第一部分PECVDPECVD的减反射效果的减反射效果PECVD的减反射原理：的减反射原理： 图示为四分之一波长减反射膜的原理。图示为四分之一波长减反射膜的原理。从第二个界面返回到第一个界面的反射光与从第二个界面返回到第一个界面的反射光与从第一个界面的反射光相位差从第一个界面的反射光相位差180，所以，所以前者在一定程度上抵消了后者。前者在一定程度上抵消了后者。 在正常入射光束中从覆盖了一层厚度为在正常入射光束中从覆盖了一层厚

2、度为d1的透明层的材料，表面反射的能量所占比的透明层的材料，表面反射的能量所占比例的表达式是：例的表达式是： 其中其中r1，r2分别是外界介质分别是外界介质-膜和膜膜和膜-硅界面上的菲涅尔反射系数，硅界面上的菲涅尔反射系数，为膜层为膜层厚度引起的位相角厚度引起的位相角 。当当n1d1=0/4 时，反射有最小值：时，反射有最小值：如果如果 ，则理论反射率为零。，则理论反射率为零。 空气中硅表面的折射率空气中硅表面的折射率nsi3.8，所，所以减反射膜的最佳折射率是硅折射率以减反射膜的最佳折射率是硅折射率的平方根的平方根n1.95。 硅电池做成组件后，被封装在玻璃硅电池做成组件后，被封装在玻璃（

3、n 1.5）下面，中间还要考虑一层）下面，中间还要考虑一层EVA，所以此时减反射膜的最佳折射，所以此时减反射膜的最佳折射率是率是n2.3。 右图的曲线表示，在空气中和玻璃右图的曲线表示，在空气中和玻璃下的硅表面分别覆盖折射率是下的硅表面分别覆盖折射率是1.9和和2.3的减反射膜，从硅表面反射的入射光的减反射膜，从硅表面反射的入射光的百分比与波长的关系。减反射膜的的百分比与波长的关系。减反射膜的设计，使得约在波长设计，使得约在波长600nm处产生最处产生最小反射。小反射。 从覆盖有减反射膜的硅表面反射的从覆盖有减反射膜的硅表面反射的可用光的加权平均在可用光的加权平均在10%，裸硅表面，裸硅表面则

4、超过则超过30%。 减反射膜常沉积为非结晶的或无定形的薄层，以防止在晶界处的光散射问题。减反射膜常沉积为非结晶的或无定形的薄层，以防止在晶界处的光散射问题。用真空蒸发方法形成的减反射层一般在紫外波长区域要产生吸收。然而利用像使用真空蒸发方法形成的减反射层一般在紫外波长区域要产生吸收。然而利用像使沉积的金属薄层氧化或阳极化这样的工艺所形成的减反射层或用化学法沉积工艺沉积的金属薄层氧化或阳极化这样的工艺所形成的减反射层或用化学法沉积工艺形成的减反射层往往有玻璃结构（小的无定形结构），会减少紫外的吸收。形成的减反射层往往有玻璃结构（小的无定形结构），会减少紫外的吸收。可见光在光谱中的位置可见光在光谱

5、中的位置2第二部分第二部分PECVDPECVD的钝化效果的钝化效果 太阳能级硅单晶和多晶硅材料存在着大量的杂质和缺陷，这些杂质和缺陷在太阳能级硅单晶和多晶硅材料存在着大量的杂质和缺陷，这些杂质和缺陷在晶体硅中引入深能级，显著降低硅中的少数载流子寿命，从而影响太阳电池的短晶体硅中引入深能级，显著降低硅中的少数载流子寿命，从而影响太阳电池的短路电流和电池的转换效率。路电流和电池的转换效率。 少量的氢就能和硅中的缺陷和杂质作用，少量的氢就能和硅中的缺陷和杂质作用，形成一些复合体，由于这些复合体大多都是电形成一些复合体，由于这些复合体大多都是电中性，所以硅中的氢可以钝化杂质和缺陷的电中性，所以硅中的氢

6、可以钝化杂质和缺陷的电活性。它不仅能钝化晶体的表面或界面，还可活性。它不仅能钝化晶体的表面或界面，还可以和金属杂质结合，去除或改变相应的深能级。以和金属杂质结合，去除或改变相应的深能级。此外，氢还能和位错上的悬挂键结合此外，氢还能和位错上的悬挂键结合 ，达到去，达到去除位错电活性的目的；氢也能和空位作用，形除位错电活性的目的；氢也能和空位作用，形成一种成一种VHn复合体；氢还能钝化由氧化而引入复合体；氢还能钝化由氧化而引入的点缺陷，改善器件性能。的点缺陷，改善器件性能。 PECVD沉积氮化硅薄膜钝化太阳能电池的沉积氮化硅薄膜钝化太阳能电池的作用从原理看实际上是薄膜中富含的氢对衬底作用从原理看实

7、际上是薄膜中富含的氢对衬底硅中的杂质和缺陷的钝化。硅中的杂质和缺陷的钝化。 氢在硅中的存在形式主要取决于温度，掺杂类型与浓度，氢的浓度，缺陷氢在硅中的存在形式主要取决于温度，掺杂类型与浓度，氢的浓度，缺陷情况等，在低温时，氢在硅中常以情况等，在低温时，氢在硅中常以3种状态存在：种状态存在： 1、在缺陷位置上被悬挂束缚，形成多重性的、在缺陷位置上被悬挂束缚，形成多重性的Si-H键，这种状态的氢原子有键，这种状态的氢原子有着最低的势能；着最低的势能； 2、在没有缺陷的位置上以稳定氢分子、在没有缺陷的位置上以稳定氢分子H2的情况存在，在平衡条件下氢分的情况存在，在平衡条件下氢分子占据着硅四面体的中心

8、位置，此时它的电学与光学性质都不活泼，低温时也子占据着硅四面体的中心位置，此时它的电学与光学性质都不活泼，低温时也不易移动；不易移动； 3、氢在硅中最重要的形态是原子氢。氢原子占据所谓的金属位，对未被束、氢在硅中最重要的形态是原子氢。氢原子占据所谓的金属位，对未被束缚的氢来说，这是能量最低的方式。在室温时，一般情况下氢是不能以单独的缚的氢来说，这是能量最低的方式。在室温时，一般情况下氢是不能以单独的氢原子或氢离子存在的，它总是以复合体的形式存在于硅中。氢原子或氢离子存在的，它总是以复合体的形式存在于硅中。 在烧结过程中，因为高温，硅片镀膜后表面富含的氢原子还会向内扩散，在烧结过程中，因为高温，

9、硅片镀膜后表面富含的氢原子还会向内扩散，能对硅片更深处进行钝化。所以，镀膜后经过烧结的硅片测试的少子寿命会能对硅片更深处进行钝化。所以，镀膜后经过烧结的硅片测试的少子寿命会高于高于PECVD镀膜后的少子寿命。镀膜后的少子寿命。3第三部分第三部分PECVDPECVD薄膜形成机理薄膜形成机理 PECVD按镀膜方式可分为直接法和间接法，也可按设备分为管式和板式，按镀膜方式可分为直接法和间接法，也可按设备分为管式和板式，还可以按激发方式、不同的射频功率等细分。还可以按激发方式、不同的射频功率等细分。 在直接在直接PECVD设备中，设备中，SIH4和和NH3同时被交变电场所激励而产生等离子体，同时被交变

10、电场所激励而产生等离子体，样品直接置于等离子体中，表面受轰击严重，可由烧结的热处理来弥补。样品直接置于等离子体中，表面受轰击严重，可由烧结的热处理来弥补。 在间接在间接PECVD设备中，只有设备中，只有NH3被交变电场所激励，而且样品远离等离子体。被交变电场所激励，而且样品远离等离子体。被激励的等离子体进入反应器和被激励的等离子体进入反应器和SIH4反应并沉积到硅片的表面。由于这种方法产反应并沉积到硅片的表面。由于这种方法产生的等离子体密度高，所以沉积的速率也往往比直接生的等离子体密度高，所以沉积的速率也往往比直接PECVD大，另外一个显著大，另外一个显著的优点点是由于等离子体离硅片表面较远，

11、使电池表面损伤大大减少。的优点点是由于等离子体离硅片表面较远，使电池表面损伤大大减少。岛津的直接式岛津的直接式PECVDRoth&Rau的间接式的间接式PECVD直接法分为两种：直接法分为两种：（1）管式）管式PECVD系统：即使用像扩散管一样的石英管作为沉积腔室，使用电系统：即使用像扩散管一样的石英管作为沉积腔室，使用电阻炉作为加热体，将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。阻炉作为加热体，将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。这种设备的主要制造商为德国的这种设备的主要制造商为德国的Centrothem公司、中国的第四十八研究所公司、中国的第四十八研究所 、七星华创

12、公司。七星华创公司。（2）板式）板式PECVD系统：即将多片硅片放置在一个石墨或碳纤维支架上，放入系统：即将多片硅片放置在一个石墨或碳纤维支架上，放入一个金属的沉积腔室中，腔室中有平板型的电极，与样品支架形成一个放电回一个金属的沉积腔室中，腔室中有平板型的电极，与样品支架形成一个放电回路，在腔室中的工艺气体在两个极板之间的交流电场的作用下在空间形成等离路，在腔室中的工艺气体在两个极板之间的交流电场的作用下在空间形成等离子体，分解子体，分解SiH4中的中的Si和和H，以及，以及NH3中的中的N形成形成SiNx沉积岛沉积岛 硅表面。这种沉硅表面。这种沉积系统目前主要是日本岛津公司在进行生产。积系统

13、目前主要是日本岛津公司在进行生产。（1）微波法：使用微波作为激发等离子体的频段。微波源置于样品区域之外，）微波法：使用微波作为激发等离子体的频段。微波源置于样品区域之外，先将氨气离化，再轰击硅烷气，产生先将氨气离化，再轰击硅烷气，产生SiNx分子沉积在样品表面。这种设备目分子沉积在样品表面。这种设备目前的主要制造商为德国的前的主要制造商为德国的Roth&Rau公司。公司。（2）直流法：使用直流源激发等离子体，进一步离化氨气和硅烷气。样品也）直流法：使用直流源激发等离子体，进一步离化氨气和硅烷气。样品也不与等离子体接触。这种设备由荷兰的不与等离子体接触。这种设备由荷兰的OTB公司生产。公司生产。

14、间接法分为两种：间接法分为两种：不同不同PECVD设备的工作频率有如下几种：设备的工作频率有如下几种：250 kHz：岛津公司的板式直接法系统：岛津公司的板式直接法系统440 kHz：Semco公司的板式直接法公司的板式直接法 460 kHz：Centrotherm公司管式直接法公司管式直接法13.6 MHz：Semco公司和公司和MVSystem公司的板式直接法系统公司的板式直接法系统2450 MHz：Roth&Rau公司的板式间接法系统公司的板式间接法系统各种设备的镀膜比较：各种设备的镀膜比较： 这种比较也是在某些特定的沉积条件下的一般性的比较，改变沉积条件可这种比较也是在某些特定的沉积条

15、件下的一般性的比较，改变沉积条件可以改变薄膜的特性。以改变薄膜的特性。一般说来，采用一般说来，采用PECVD技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含以下三个技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：基本过程：（一）在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发（一）在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；生分解，形成离子和活性基团的混合物；（二）各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散运输，同时发生各反应物之间（二）各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散运输，同时发生各反应物之间的次级反应；的次级反应；（三）到达生

16、长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，（三）到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。同时伴随有气相分子物的再放出。具体如下：具体如下：（一）在辉光放电条件下，由于硅烷等离子体中的电子具有几个（一）在辉光放电条件下，由于硅烷等离子体中的电子具有几个ev以上的能以上的能量，因此量，因此H2和和SiH4受电子的碰撞会发生分解，此类反应属于初级反应。若不受电子的碰撞会发生分解，此类反应属于初级反应。若不考虑分解时的中间激发态，可以得到如下一些生成考虑分解时的中间激发态，可以得到如下一些生成SiHm(m=0,1,2,3)与原子与原

17、子H的离解反应：的离解反应：按照基态分子的标准生产热计算，上述各离解过程（按照基态分子的标准生产热计算，上述各离解过程（2.1）（2.5）所需的能）所需的能量依次为量依次为2.1、4.1、4.4、5.9ev和和4.5ev等离子体内的高能量电子还能够发生如下的电离反应：等离子体内的高能量电子还能够发生如下的电离反应：以上各电离反应（以上各电离反应（2.6）（2.9）需要的能量分别为）需要的能量分别为11.9，12.3，13.6和和15.3ev，由于反应能量的差异，因此（由于反应能量的差异，因此（2.1）（2.9）各反应发生的几率是极不均匀的。）各反应发生的几率是极不均匀的。此外，随反应过程（此外

18、，随反应过程（2.1）（2.5）生成的）生成的SiHm也会发生下列的次级反应而电离，也会发生下列的次级反应而电离，例如例如上述反应如果借助于单电子过程进行，大约需要上述反应如果借助于单电子过程进行，大约需要12ev以上的能量。鉴于通常以上的能量。鉴于通常制备硅基薄膜的气压条件下（制备硅基薄膜的气压条件下（10100Pa），电子密度约为），电子密度约为1010cm-3的弱电的弱电离等离子体中离等离子体中10ev以上的高能电子数目较少，累积电离的几率一般也比激发以上的高能电子数目较少，累积电离的几率一般也比激发几率小，因此硅烷等离子体中，上述离化物的比例很小，几率小，因此硅烷等离子体中，上述离化物

19、的比例很小，SiHm的中性基团占的中性基团占支配地位，因此所需能量不同，支配地位，因此所需能量不同，SiHm的浓度按照的浓度按照SiH3,SiH2,Si,SiH的顺序递的顺序递减。减。（二）（二）除上述的离解反应和电离反应之外，离子分子之间的次级反应也很重要：除上述的离解反应和电离反应之外，离子分子之间的次级反应也很重要：因此，就离子浓度而言，因此，就离子浓度而言，SiH3+比比SiH2+多。他可以说明在通常的多。他可以说明在通常的SiH4等离等离子体中子体中SiH3+离子比离子比SiH2+离子多的原因。离子多的原因。此外，还会发生由等离子体中氢原子夺取此外，还会发生由等离子体中氢原子夺取Si

20、H4中的氢的分子中的氢的分子-原子碰撞反应：原子碰撞反应：这是一个放热反应，也是形成乙硅烷这是一个放热反应，也是形成乙硅烷Si2H6的前驱反应。当然上述基团不的前驱反应。当然上述基团不仅仅处于基态，在等离子体中还会被激励到激发态。对硅烷等离子体的发仅仅处于基态，在等离子体中还会被激励到激发态。对硅烷等离子体的发射光谱研究的结果表明，存在有射光谱研究的结果表明，存在有Si,SiH,H等的光学允许跃迁激发态，也存等的光学允许跃迁激发态，也存在在SiH2,SiH3的振动激发态。的振动激发态。（三）（三）硅烷等离子体中的离化基团只是在低气压（硅烷等离子体中的离化基团只是在低气压（5*10-3Torr）高电离