pecvd法制备氮化硅薄膜的影响因素研究

pecvd法制备氮化硅薄膜的影响因素研究

0太阳电池薄膜太阳电池减反射硬化技术在太阳电池的发展中发挥着非常重要的作用。低温等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备的氮化硅薄膜已在硅基太阳电池中广泛应用。氮化硅之所以被广泛应用是因为它具有独特的无可比拟的优点:(1)介电常数高,其值为8F·m-1,而二氧化硅或二氧化钛的均为3.9F·m-1;(2)碱离子(如Na+)的阻挡能力强,并具有捕获Na+的作用;(3)氮化硅质硬耐磨,疏水性好,针孔密度低,气体和水汽极难穿透;(4)减反射效果好,氮化硅薄膜的折射率接近2.0,比二氧化硅(n=1.46)更接近太阳电池所需的最佳折射率2.35,是所有已应用的介质膜中最符合太阳电池减反射层要求的材料;(5)PECVD法制备的薄膜同时为太阳电池提供较为理想的表面和体钝化。二氧化硅只有表面钝化作用,而氮化硅薄膜有相当好的表面和体钝化作用,可使硅表面复合速度SRV降至10cm·s-1,改善电池性能,可有效地提高电池效率。在PECVD工艺中,反应动力来自被高频电场加速的电子和离子,它们与反应气体分子碰撞,电离或激活成活性基团,因而可以在远低于热反应的温度下沉积薄膜。在PECVD工艺中,沉积参数会影响薄膜的表面形貌和减反射性能。本文通过PECVD方法在化学蚀刻后的单晶硅片上采用不同的沉积参数制备了氮化硅薄膜,对氮化硅的表面形貌和减反射性能进行分析研究,以得到减反射性能优良的氮化硅薄膜。1试验原理和方法1.1在低温条件下制备PECVD法制备氮化硅薄膜是利用非平衡等离子体的一个重要特性,即等离子体中的分子、原子、离子或激活基团与周围环境相同,而其非平衡电子则由于电子质量很小,其平均温度可以比其他粒子高1~2个数量级,因此在通常条件下,引入的等离子体使得沉积反应腔体中的反应气体被活化,并吸附在衬底表面进行化学反应,从而能在低温下制备出新的介质薄膜。如通常需要800℃以上才能制备的氮化硅薄膜,用PECVD法只需250~300℃就能制备,而沉积反应中的副产物则被解吸出来并随主气流由真空泵抽出反应腔体。这是目前唯一能在低温条件下制备氮化硅的CVD工艺。由以下3种反应能制备出氮化硅薄膜:3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2(1)3SiHCl4+4NH3→Si3N4+12HCl(2)3SiH2Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2(3)3SiΗ4+4ΝΗ3→Si3Ν4+12Η2(1)3SiΗCl4+4ΝΗ3→Si3Ν4+12ΗCl(2)3SiΗ2Cl2+4ΝΗ3→Si3Ν4+6ΗCl+6Η2(3)1.2试验系统的基础采用中国电子科技集团第四十八研究所PECVD设备来制备氮化硅薄膜,高频信号发生的频率是13.56MHz。所用气体为高纯氨和高纯氮气、高纯硅烷,实验时气体直接通入炉内,主要反应气体是高纯氨和高纯硅烷,氮气主要用来调节系统的真空度和稀释尾气中的硅烷。试验基础工艺参数为SiH4流量90cm3/min,NH3流量4cm3/min,N2流量700cm3/min,时间15min,温度300℃,射频功率30W,腔体气压67~200Pa。采用椭圆偏振仪测量氮化硅薄膜的折射率,采用日本电子7001F型场发射扫描电镜对氮化硅薄膜的表面形貌和成分进行分析。2结果与讨论2.1薄膜性能测试在PECVD制备氮化硅的工艺中,腔体气压、射频功率、温度、NH3流量是重要的工艺参数,对薄膜表观质量有显著的影响。对于在太阳电池上应用的氮化硅薄膜,折射率是薄膜成分以及致密程度的综合指标,是检验薄膜制备质量的重要参数。表1~4分别表示不同腔体气压、射频功率、温度、NH3流量对折射率的影响。由以下4个表所列出的折射率与工艺参数的数据来看,NH3流量是影响折射率变化的最主要的因素,折射率变化幅度最高。其他因素如腔体气压、射频功率等也对折射率略有影响。由于折射率主要反应薄膜材料的成分与结构,不同的NH3流量则改变了在制备过程中反应腔体内的氮硅比,制备的薄膜的成分比也因此改变,薄膜的折射率随之发生变化,在本试验中NH3流量约为4cm3·min-1时效果较好。而其他工艺参数对于薄膜的成分影响不显著,所以对折射率的影响相对较小。2.2单晶硅薄膜的生长不同沉积工艺条件对氮化硅的表面形貌和成分的影响很大,其中衬底温度的影响更为明显。如图1、2、3所示为在不同沉积温度下形成氮化硅薄膜表面的SEM形貌。如图1所示,在200℃时,扫描形貌呈现为单晶硅化学蚀刻后的形貌,EDS分析可知N的原子分数为23.24%。这说明在200℃时在化学蚀刻后的单晶硅表面上形成了一层薄薄的氮化硅膜,未形成氮化硅颗粒或凸起。在300℃时的SEM形貌如图2所示,在高倍下可看到少量的白色氮化硅颗粒,此时氮的原子分数达到了28.43%。进一步增加衬底的温度,在400℃时,如图3所示,可以看到在单晶硅表面上形成了白色团状或岛状的氮化硅膜,此时N的原子分数为31.02%。采用PECVD方法生长氮化硅薄膜的过程中,受等离子体活化的反应气体在衬底表面有沉积和挥发两种机制作用,并且这两种机制都是随着温度的升高而加剧的,然而在由低温向高温转变时挥发机制的影响相比沉积机制更显著,因此导致了最终沉积到表面的速率下降,沉积速率的下降导致在衬底表面的颗粒有足够的运动时间,从而形成了岛状和团状的形貌,破坏了薄膜的表面平整度,给在薄膜表面进一步的微加工带来了不利影响。因此,必须采用合适的沉积温度,降低表面缺陷,形成致密度高且平整的氮化硅薄膜。3薄膜性能的影响通过对不同沉积工艺参数下制备的氮化硅的折射率和不同衬底温度下氮化硅薄膜形貌和成分分析,得到以下结论:(1)不同的NH3流量可改变在制备过程中反应腔体内的氮硅比,制备的薄膜的成分比也因此改变,薄膜的折射率随之发生变化,而其他参数变化对折射率的影响不是太明显;(2)衬底温度对