等离子体与PECVD工艺介绍(注意)

等离子体与PECVD工艺介绍1，等离子体概念、应用与辉光放电2，PECVD的原理，类型3，PECVD在SolarCell的应用4，PECVD的参数控制5，等离子体在Solarcell的其它应用主要内容：1.1，等离子体概述等离子态是物质的第四种状态，它是气体，其原子失去电子形成自由电子和正离子，两者的量相等因此又叫做等离子态，它可导电而且受电磁场影响，是非束缚态宏观体系。宇宙中约99%的物质都是处在等离子体状态，闪电、北极光、宇宙射线等等。太阳本身也就是个等离子体的大火球。产生等离子体有多种方式：电击穿、射频放电、微波激发、冲击波、高能粒子流、高温加热等手段。低温/高温等离子体：发光显示、蚀刻、镀膜；磁控核聚变发电、太阳。1.1.1，物质的几种状态1.1.2，电离气体是一种常见的等离子体1.1.3，等离子体参数空间1.1.4，等离子体分类1.2，等离子体的应用低温等离子体应用冷等离子体应用等离子体的化学过程：刻蚀，化学气相沉积（成膜）等离子体材料处理：表面改性，表面冶金光源：冷光源（节能），显示热等离子体应用高温加热：冶金、焊接、切割材料合成、加工、陶瓷烧结、喷涂、三废处理光源：强光源军事上和高技术上的应用空间和天体等离子体术语“辉光放电”是指发光由等离子体产生，高能态电子返回基态时以可见光辐射的形式释放能量。等离子体能代替高温，裂解分子并发生化学反应，也可用于产生和加速离子。在辉光放电过程中可能出现以下过程：1.3，辉光放电过程裂解：e*＋AB＝A＋B＋e原子离子化：e*＋A＝A＋＋e＋e分子离子化：e*＋AB＝AB＋＋e＋e原子激发：e*＋A＝A*＋e分子激发：e*＋AB＝AB*＋e上标“*”表示能量远远大于基态的粒子。1.4，几种简单的等离子反应室＋－L直流电源高压电源泵气体入口腔室高压电弧电离产生大量的正离子和自由电子。正离子打在在阴极上，并从阴极材料释放出大量的二次电子。二次电子与中性原子非弹性碰撞产生出更多的离子，维持了等离子体，并伴随光辐射－辉光放电。直流等离子体反应室但是在许多情况下，一个或多个电极上的材料是绝缘的，如硅靶、电极上的硅片。当离子轰击硅片表面时，发射二次电子，使这些层充满电荷。电荷积聚在表面，使电场减少，直到等离子体最终消失。为了解决这个问题，等离子体可以用交流信号来驱动，电源在射频范围内，一般为13.56MHz。1.4，射频放电等离子体反应室射频电源调谐网络＋－射频等离子体示意图在一个简单得电容性放电等离子体中，离子和基团得比例很小，很多年来，这种系统一般运行在13.56MHz下。各种技术被开发用来产生高浓度等离子体：电感耦合等离子体：传统等离子频率上磁控等离子体：传统等离子频率电子回旋共振等离子体：1GHz以上等离子频率－微波通常称为高密度等离子体（HDP）1.4，高密度等离子体电极＋BIN简单的磁束缚等离子体中，电子被洛伦磁力束缚在阴极暗区，碰撞电离几率大大增强e－e－Bin微波电源波导微波线圈电子回旋ECR等离子系统，需要大功率微波信号，耦合入反应室，能量由波导传递，一般微波频率为2.45GHz。1.4，高密度等离子体2，PECVD的原理，类型2.1，PECVD原理介绍在真空压力下，加在电极板上的射频（低频、微波等）电场，使反应室气体发生辉光放电，在辉光发电区域产生大量的电子，通常结合磁场形成高密度等离子体。这些电子在电场的作用下获得充足的能量，其本身温度很高，它与气体分子相碰撞，使气体分子活化。活化的气体分子吸附在衬底上，并发生化学反应生成介质膜，副产物从衬底上解吸，随主气流由真空泵抽走。PECVD技术可用于制作器件的钝化膜、增透膜，还可以用于制作光电器件扩散工艺的阻挡层，SolarCell的减反膜。PECVD允许衬底在较低温度(一般300～450℃)下生长介质薄膜。在许多应用中，需要在非常低的衬底温度下淀积薄膜。在铝上淀积SiO2和在GaAs上淀积Si3N4保护层是两个常见的实例。与热反应相比（一般800～1000℃），它有以下优点：能淀积速率高；容易获得比较均匀的组分；通过改变气流比可以使薄膜组分连续变化（如可以容易控制SolarCellARC的Si:N，可以使薄膜组分由氧化物连续变化到氮化物）。

2.1，PECVD原理介绍冷壁平行板：产能较低，一定程度均匀性的问题，很适用于GaAs技术。后来改善了产能，均匀性提高到接近1％。热壁平行板：存在气体消耗/均匀性、以及颗粒的问题。类似于LPCVD。2.2，PECVD的几种基本结构PECVD的基本结构：ECR，高密度等离子结构。2.2，PECVD的几种基本结构1，等离子体类型：Direct等离子体和Romote等离子体2，等离子激发频率：低频、射频、微波3，反应室：管式与平板式4，传输类型：batch方式和inline方式2.3，PECVD的分类等离子体产生于两平行电极之间，同时晶圆被固定在一个电极上，晶圆作为电极的一部分。在这种情况下，晶圆一般处于等离子体中。典型代表：Centrotherm，岛津。2.3.1，Direct等离子体PECVDHeaterElectrode岛津PECVD是直接等离子体晶圆不作为电极的一部分，同时晶圆处于等离子体以外。典型代表：Roth&Rau.2.3.2，Romote等离子体PECVD2.3.3，按激发频率分类Plasma直流0Hz低频50HzRF13.5MHz微波2.45GHz一般是直接等离子体间接等离子体离子能量0－400eV2－10eV3，PECVD在SolarCell生长中的应用减反射膜表面钝化体钝化3.1，减反射作用一次反射R1

SiNP－Sin0n1ns二次反射R2目的：通过调整SiN的厚度及折射率，使得R1和R2相消干涉，即光程差为1/2波长，薄膜的厚度应该是1/4波长的光程。ARC厚度：对于太阳能电池，最小反射应该在580－600nm位置。3.11，ARC厚度和折射率的设计对于n0﹤n1﹤ns，最终的反射率为：当上式分子为0，即n0ns＝n12时，反射最小。对于电池片，n0=1，ns＝3.42，则n1＝1.86。对于组件，n0=1.46，ns＝3.42，则n1＝2.23。这只是理论上的数值，而实际上还要考虑减反膜的吸收，表面钝化，体钝化等多方面的因素，在这些变化中找到最佳的平衡值，一般是n＝2.0－2.1，d＝75－80nm。3.12，ARC厚度和折射率的设计热生长氮化硅颜色图，n＝1.97颜色厚度（nm）颜色厚度（nm）银色20黄130－150褐色20－40橘红150－180黄褐40－55红色180－190红色55－73暗红190－210深蓝73－77蓝210－230蓝77－93蓝绿230－250浅蓝93－100浅绿250－280极浅蓝100－110橘黄280－300银色110－120红300－330浅黄120－130电池吸收光波长范围：300－1150nm，所以要求SiNx:H禁带宽度要大于4eV。透射率公式：T(λ)＝1－R(λ)－A(λ)，R(λ)为反射率和A(λ)为吸收率。SiNx:H的折射率1.9时，带宽5.3eV，当提高薄膜中Si含量，折射率提高，带宽降低，吸收也越多，最小带宽1.8eV。3.13，ARC的吸收损失3.14，几种参数组合的反射率比较（Roth&Rau)3.2，表面钝化晶圆表面存在很多的表面态、晶界、缺陷。在PECVD沉积过程中，大量的H原子（离子）进入薄膜，饱和了大量的悬挂键。降低了复合中心的作用，提高短波响应与短路电流。3.3，体钝化体钝化和后续的金属化烧结工艺是分不开的，由于热退火，大量H原子从表面扩散到体硅材料内部。特别对于多晶硅，材料内部存在大量晶界（面缺陷），H原子可以饱和晶界位置的悬挂键，降低复合中心的作用，提高短路电流。3.4，FTIR测量H含量，钝化效果的评估（R&R资料）从上表看出：烧结前后，N－H降低约30％；Si－H提高约20％，总H含量降低约10％。说明了20％的H进入材料内部，起体钝化作用。3.5，烧结前后的IQE比较（Roth&Rau资料）4，工艺过程的参数控制（与Roth&Rau为例)沉积温度沉积压强气体流量、比例微波功率：最大功率，ton，toff传输速度4.1，沉积温度有3个加热器，温度范围为：300－400℃。典型的温度设置在350℃。3种沉积温度下，内量子效应的对比4.2，沉积压强压力主要影响等离子体区域的半径和反应气体的停滞时间，结果影响了SiNx:H的组分和钝化特性。一般在0.05mbar－0.3mbar，典型值0.1mbar。不同沉积压强下，烧结前后的内量子效应对比。4.3，气体流量气体的总流量影响了薄膜沉积速率，流量比影响了折射率、钝化效果。典型流量比NH3/SiH4＝1.5－2.5。4.4，微波功率微波功率影响了等离子体的分布和沉积速率：4.4，微波功率的脉冲频率：ton，toff4.4，不同微波功率和ton、toff的等离子分布和沉积速率4.5，传输速率Carrier的传输速率影响了薄膜沉积速率和均匀性。典型范围是70－100cm/min，典型值80cm/min。4.6，工艺参数的总结压强：较高压强－较低的沉积速率。压强－折射率、钝化效果。温度：较高温度－稍微降低沉积速率。

高温－降低少子寿命，粒子产生。气流量：较高气流量－较高的沉积速率。气体比例：更多SiH4－提高反射率、吸收增大。微波功率：较高的P-mean－稍微提高沉积速率。

P-peak－调整等离子体分布长度。沉积不均匀－调整左/右微波功率。5，等离子体在solarcell的其他引用等离子蚀刻机——去边反应离子刻蚀——表面质构化5.1，湿法刻蚀与干法刻蚀湿法刻蚀是与化学溶液的化学反应过程。缺点：缺乏各向同性、差的工艺控制和过度的颗粒沾污；优点：较高的选择比，一般不产生衬底损伤。广泛应用于非关键尺寸工艺。干法刻蚀－等离子刻蚀，气体离子、原子团、电子、中性粒子的轰击、反应。缺点：衬底损伤、残余物污染、金属杂质；优点：容易开始与结束、对温度变化不那么敏感、重复性好、高的各向异性、环境颗粒少、化学废液少。等离子刻蚀：高压等离子刻蚀、离子铣、反应离子刻蚀、高密度等离子刻蚀、剥离技术。5.2，等离子刻蚀的一般步骤反应室的气体被等离子体分离成可化学反应的元素；这些元素扩散并吸附在硅片表面；这些元素在硅表面上进行表面扩散，直到发生反应；反应生成物解吸，离开硅片并排放。5.3，反应离子刻蚀（离子辅助刻蚀）在太阳能电池的应用目的：优化电池表明形貌，降低综合反射率，特别对于多晶硅，可以得到各向同性的刻蚀效果。工艺气体：SF6和O2的混合物。工艺参数：气流量、温度、刻蚀时间、压强、等离子源相比与湿法的优点：对于150um的薄晶圆，单面刻蚀改善了surface-to-volume比例，降低表面复合率。质构化与硅衬底材料无关，高兼容性，光学特性好。可得到更低反射率，更高的电池效