太陽能電池片PECVD課件

1、太陽能電池片太陽能電池片PECVD PECVD的介紹 ? PECVD : ? Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition ? 等離子增強化學(xué)氣相沉積 ? 等離子體： ? 由于物質(zhì)分子熱運動加劇，相互間的碰撞就會 使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就會變成自由 運動并由相互作用的正離子、電子和中性粒子 組成的混合物。 PECVD的目的 ? 在太陽電池表面沉積 深藍色減反膜-SiN膜。 減少光的反射，增加 電池對光線的吸收。 ? 對電池的正表面進行H 鈍化 ? 對電池正表面進行保 護，防止氧化 inverted pyramids finger p p- silic

2、on n p p oxide rear contactoxide + + p + + n + SiNx:H SiNx:H介紹 ? 正常的SiNx的Si/N之比為0.75，即Si3N4。但是 PECVD沉積氮化硅的化學(xué)計量比會隨工藝不同而 變化，Si/N變化的范圍在0.75-2左右。除了Si和N， PECVD的氮化硅一般還包含一定比例的氫原子， 即SixNyHz或SiNx:H ? Si/N比對SiNx薄膜性質(zhì)的影響 ? 1.電阻率隨x增加而降低 ? 2.折射率n隨x增加而增加 ? 3.腐蝕速率隨密度增加而降低 PECVD的鈍化作用 ? 由于太陽電池級硅材料中不可避免的含有大 量的雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)致

3、硅中少子壽命及擴散 長度降低從而影響電池的轉(zhuǎn)換效率。 ? H的鈍化機理: ? 主要原因是:H能與硅中的缺陷或雜質(zhì)進行反應(yīng)， 從而將禁帶中的能帶轉(zhuǎn)入價帶或者導(dǎo)帶。 PECVD的鈍化作用 ? 鈍化太陽電池的受光面 ? 鈍化膜(介質(zhì))的主要作 用是保護半導(dǎo)體器件表 面不受污染物質(zhì)的影響， 半導(dǎo)體表面鈍化可降低 半導(dǎo)體表面態(tài)密度。 ? 鈍化太陽電池的體內(nèi) ? 在SiN減反射膜中存在 大量的H，在燒結(jié)過程 中會鈍化晶體內(nèi)部懸掛 鍵。 PECVD對電性能影響 ?1.減反射膜提高了對太陽光 的利用率，有助于提高光生 電流密度，起到提高電流進 而提高轉(zhuǎn)換效率的作用。 ?2.薄膜中的氫對電池的表面 鈍化降低了發(fā)

4、射結(jié)的表面復(fù) 合速率，減小了暗電流，提 升了開路電壓，從而提高了 光電轉(zhuǎn)換效率；在燒穿工藝 中的高溫瞬時退火斷裂了一 些Si-H、N-H鍵，游離出來 的H進一步加強了對電池的 鈍化。 PECVD:直接式 PECVD:間接式 ? 間接PECVD的特點： ? 在微波激發(fā)等離子的設(shè) 備里，等離子產(chǎn)生在反 應(yīng)腔之外，然后由石英 管導(dǎo)入反應(yīng)腔中。在這 種設(shè)備里微波只激發(fā) NH3，而SiH4直接進 入反應(yīng)腔。 ? 間接PECVD的沉積速率 比直接的要高很多，這 對大規(guī)模生產(chǎn)尤其重要。 PECVD的工藝原理 ? 通入的特氣（硅烷和氨氣）在高溫和微波源 的激發(fā)下電離，形成等離子態(tài)，并沉積在硅 片的表面。膜的厚

5、度主要與溫度，腔體內(nèi)微 波源的功率和鍍膜時間有關(guān)。 ? 反應(yīng)室通入反應(yīng)氣體 ? 硅烷 SiH4 ? 氨氣 NH3 ? 在微波源的激發(fā)下電離形成等離子態(tài) ? SiNx:H沉積在硅片上 等離子體產(chǎn)生圖例 SixNyHz的形成過程 ? 2yx 400 34 HHNSiNHSiH z ? ? ?HSiHSiSSiH 6HiH3 3 2 23 400 4 等離子體 ? ?HNNNH 3HH2 2 2 400 3 等離子體 PECVD特氣的性質(zhì)（1） ?氨氣（NH3）: 是一種刺激性、無色、氣體。 ?氨氣會嚴重灼傷眼、皮膚及呼吸道。當它在空氣中的濃度超過 15%時有立即造成火災(zāi)及爆炸的危險。 ?暴露在氨氣

6、中會對眼睛造成中度到重度的刺激。氨氣強烈地刺 激鼻子、喉嚨和肺。癥狀包括灼傷感、咳嗽、喘息加重、氣短、 頭痛及惡心。過度暴露會影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)并會造成痙攣和失 去知覺。暴露在5000ppm下5分鐘會造成死亡。 ?緊急救助 ?眼睛接觸：用大量的水沖洗，立即進行醫(yī)療處理。 ?吸入：將人員移到空氣清新處，若呼吸困難，則輸氧，并迅速 進行醫(yī)務(wù)處理。 ?皮膚接觸：用大量水沖洗，立即脫掉被污染的衣服，并立即進 行藥物處理。 PECVD特氣的性質(zhì)（2） ?硅烷(SiH4): 是一種無色、與空氣反應(yīng)并會引起窒息的氣體。 ?硅烷與空氣接觸會引起燃燒。它的首要危害是引起嚴重的熱灼 傷。嚴重時會致命。如沒有自燃會非

7、常危險，不要靠近，不要 試圖在切斷氣源之前滅火。 ?硅烷會刺激眼睛，硅烷分解產(chǎn)生的無定型二氧化硅顆粒會引起 眼睛刺激。 ?吸入高濃度的硅烷會引起頭痛、惡心、頭暈并刺激上呼吸道。 過度吸入會引起肺炎和腎病。硅烷會刺激皮膚、硅烷分解產(chǎn)生 無定型二氧化硅顆粒會引起皮膚刺激。 ?緊急救助 ?眼睛接觸：應(yīng)立即用水沖洗至少15分鐘，水流不要太快，同 時翻開眼瞼，立即尋求眼科處理； ?皮膚接觸：用大量的水清洗至少15分鐘，脫掉被污染的衣服， 如果患者有持續(xù)的刺激感或其他影響需立即進行醫(yī)療處理。 ?吸入：盡快移到空氣清新處，如有必要須進行輸氧或人工呼吸。 PECVD的影響因素 ? 1頻率 ? 射頻PECVD系

8、統(tǒng)大都采用50kHz13.56 MHz 的工業(yè)頻 段射頻電源。較高頻率（ 4MHz）沉積的氮化硅薄膜具 有更好的鈍化效果和穩(wěn)定性。 ? 2射頻功率 ? 增加RF功率通常會改善 SiN膜的質(zhì)量。但是，功率密度 不宜過大，超過 1W/cm2時器件會造成嚴重的射頻損傷。 ? 3襯底溫度 ? PECVD膜的沉積溫度一般為 250400。這樣能保證 氮化硅薄膜在HF中有足夠低的腐蝕速率，并有較低的本 征壓力，從而有良好的熱穩(wěn)定性和抗裂能力。低于 200下沉積的氮化硅膜，本征應(yīng)力很大且為張應(yīng)力， 而溫度高于450時膜容易龜裂。 PECVD的影響因素 ?4氣體流量 ?影響氮化硅膜沉積速率的主要氣體是SiH4

9、。為了防止富硅膜， 選擇NH3/SiH4=220（體積比）。氣體總流量直接影響沉 積的均勻性。為了防止反應(yīng)區(qū)下游反應(yīng)氣體因耗盡而降低沉積 速率，通常采用較大的氣體總流量，以保證沉積的均勻性。 ?5反應(yīng)氣體濃度 ?SiH4的百分比濃度及SiH4/NH3流量比，對沉積速率、氮化 硅膜的組分及物化性質(zhì)均有重大影響。 ?理想Si3N4的Si/N0.75，而PECVD沉積的氮化硅的化學(xué)計 量比會隨工藝不同而變化，但多為富硅膜，可寫成SiN。因此， 必須控制氣體中的SiH4濃度，不宜過高，并采用較高的SiN比。 除了Si和N外，PECVD的氮化硅一般還包含一定比例的氫原子， 即SixNyHZ或SiNx :

10、H。 ?6反應(yīng)壓力、和反應(yīng)室尺寸等都是影響氮化硅薄膜的性能工 藝參數(shù)。 PECVD設(shè)備 PECVD設(shè)備 PECVD設(shè)備 ? 設(shè)備結(jié)構(gòu) ? 晶片裝載區(qū) ? 爐體 ? 特氣柜 ? 真空系統(tǒng) ? 控制系統(tǒng) PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu) PECVD晶片裝載區(qū) ? 槳、LIFT、抽風(fēng)系統(tǒng)、SLS系統(tǒng)。 ? 槳：由碳化硅材料制成，具有耐高溫、防變形 等性能。作用是將石墨舟放入或取出石英管。 ? LIFT：機械臂系統(tǒng)，使舟在機械臂作用下在小 車、槳、儲存區(qū)之間互相移動。 ? 抽風(fēng)系統(tǒng)：位于晶片裝載區(qū)上方，初步的冷卻 石墨舟和一定程度的過濾殘余氣體 ? SLS系統(tǒng)：軟著落系統(tǒng)，控制槳的上下，移動范 圍在23厘米 PEC

11、VD爐體 ?石英管、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng) ?石英管：爐體內(nèi)有四根石英管，是鍍膜的作業(yè)區(qū)域，耐高溫、 防反應(yīng)。 ?加熱系統(tǒng)：位于石英管外，有五個溫區(qū)。 ?冷卻系統(tǒng)：是一套封閉的循環(huán)水系統(tǒng)，位于加熱系統(tǒng)的金屬外 殼，四進四出并有一個主管道，可適量調(diào)節(jié)流量大小。 ?冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點: ?沒有消耗凈室空氣 ?不同管間無熱干涉 ?爐環(huán)境的溫度沒有被熱空氣所提升 ?空氣運動（通風(fēng)裝置）沒有使房間污染 ?噪音水平低 PECVD冷卻系統(tǒng)示意圖 PECVD真空系統(tǒng) ? 真空系統(tǒng) ? 真空泵：每一根石英管配置一組泵，包括主泵 和輔助泵。 ? 蝶閥：可以根據(jù)要求控制閥門的開關(guān)的大小， 來調(diào)節(jié)管內(nèi)氣壓的 PECVD控制系

12、統(tǒng) ? 控制系統(tǒng) CMI:是 Centrotherm 研發(fā) 的一個控制系統(tǒng)，其中界面包括 Jobs（界 面） 、System（系統(tǒng)）、Catalog（目 錄）、Setup（軟件）、Alarms（報警）、 Help（幫助）. ? Jobs:機器的工作狀態(tài)。 ? System:四根管子的工作狀態(tài)，舟的狀態(tài)以及 手動操作機器臂的內(nèi)容。 ? Datalog:機器運行的每一步。 PECVD控制系統(tǒng) ?Setup: 舟的資料的更改，工藝內(nèi)容的更改，使用權(quán)限 ? 的更改，LIFT位置的更改，CMS安區(qū)系統(tǒng) （安裝的感應(yīng)器 將監(jiān)控重要系統(tǒng)的運行情況，而一旦不受管的計算機的控制， CMS將會發(fā)生作用，所有的錯誤

13、信息也都會在CIM上得以簡潔 的文本方式顯示出來）的更改等。 ?Alarms：警報內(nèi)容 ?Help:簡要的說了一下解除警報以及其他方面的方法 ?CESAR:控制電腦，每一個系統(tǒng)都安裝了CESAR控制電腦及 CESAR 控制軟件，此控制電腦獨立于主電腦系統(tǒng)中。 PECVD控制系統(tǒng)示意圖 設(shè)備結(jié)構(gòu) 進 料 腔 加 熱 腔 工 藝 腔 冷 卻 腔 氣壓計 氣壓開關(guān) 溫度計 電阻絲加熱 機械泵 羅茨泵 返回運輸馬達 和sensors Position sensors Driver 紅外加熱 出 料 腔 進料腔-加熱腔氣壓 2.01*10-2mbar 溫度：400攝氏度 進料腔：紅外加熱 加熱腔、工藝腔

14、：電阻絲加熱 機械泵、羅茨泵抽真空： GV600 無水泵是一個裝有 3 對凸輪爪馬達的 4 沖程泵，包 括一臺主泵和一臺備用泵。 EH4200 是一種大排水量真空 泵，這種泵由一個三相電機通 過液態(tài)流進行驅(qū)動，其允許在 較高的壓力下進行操作。 PECVD過程 進料腔(1) 加熱腔(2) 工藝腔(3) 冷卻腔(4) 出料腔(5) 進料腔：有預(yù)熱的作用 ,在載板進入腔體后 , 先沖入N2,再進行抽真空 ; 加熱腔： 在工藝中起著加熱的作用 ; 工藝腔 ： 在等離子及真空條件下 ,硅烷與氨 氣在400 ?C時反應(yīng)生成 Si3N4,覆蓋在硅片表 面上; 進料腔與出料腔 防止特色氣體溢出 , 增加安全性

15、 . 使電池片體逐漸降低溫度 冷卻水 石英管 溫度設(shè)置 速度設(shè)置 氣壓設(shè)置 設(shè)置功率 實際功率 反射比率 角閥 氣體流量 冷卻水 PECVD等離子體源簡圖 微波發(fā)生器 真空腔 基片 PECVD電池片檢驗標準 ? 看顏色是否合格（合格的顏色為深藍，藍色 ，淡藍） ? 色差和水印不超過整體面積的5% ? 鍍膜后的折射率在2.02.20，膜厚在80 5nm（生產(chǎn)過程中取每批次任意6片進行 折射率和膜厚的測定） 鍍膜后電池片 正常片 常見缺陷 表面發(fā)白 表面臟片 色差 白點 水紋片 PECVD異常處理 異常 診斷 措施 整體鍍膜顏色不 符合要求 氮化硅層厚度偏離正常范 圍 調(diào)整帶速至顏色符合要求，偏紫增加