液相沉積法制備的二氧化硅薄膜及其鈍化性能

1、7032（2012）11-1264-04文章編號(hào)：1000-液相沉積法制備的二氧化硅薄膜及其鈍化性能*劉邦武，鐘思華，何靜，夏洋，李超波（中國科學(xué)院微電子研究所中國科學(xué)院微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）摘要：采用液相沉積法在硅基底上成功制備了二氧化硅薄膜，利用掃描電子顯微鏡、光電子能譜和少子壽命測(cè)試儀等對(duì)二氧化硅薄膜的組織結(jié)構(gòu)和鈍化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，液相生長的二氧化硅薄膜致密平含有少量的F元素；對(duì)硅具有較好的減反和鈍化作用，平均反射率由2887%降低至1088%，表面復(fù)合速整，度由6923cm/s降低至2830cm/s。關(guān)鍵詞：液相沉積；二氧化硅薄膜；鈍化文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

2、ADOI：103788/fgxb201233111264中圖分類號(hào)：O76SiO2FilmSynthesizedbyLiquidPhaseDepositionandItsPassivationPerformanceLIUBang-wu*，ZHONGSi-hua，HEJing，XIAYang，LIChao-bo（KeyLaboratoryofMicroelectronicsDevicesIntegratedTechnology，InstituteofMicroelectronics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China）*Correspondi

3、ngAuthor，E-mail：liubangwuimeaccnAbstract：TheSiO2filmhasbeensuccessfullysynthesizedbyliquidphasedeposition（LPD）methodThemicrostructureandpassivationperformanceoftheSiO2filmhavebeeninvestigatedbyscanningelectronmicroscopy（SEM），X-rayphotoelectronspectroscopy（XPS）andmicrowavephotoconduc-tivedecay（-PCD）T

4、heresultsshowthatthedepositedSiO2filmcontainsalittleamountofFele-mentanditisverysmoothanddenseThereflectanceandsurfacerecombinationvelocityreducedto1088%and2830cm/s，respectivelyKeywords：liquidphasedeposition；SiO2film；passivation1引言大量的懸掛鍵、雜質(zhì)和斷鍵等，成為載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致硅片表面的少子壽命大大降低，因此需要對(duì)硅片進(jìn)行表面鈍化，以減少載流子復(fù)合。一般而言，

5、通過采用熱氧化（900）SiO2生長工藝可以對(duì)晶體硅表面進(jìn)行有效鈍化，抑制載流子在表面的復(fù)合。但是硅片中體少子壽命對(duì)高溫工900藝的敏感性非常高，尤其是對(duì)于多晶硅片，晶體硅太陽能電池目前是居主導(dǎo)地位的光伏器件，在生產(chǎn)和應(yīng)用總量中占首位，并將向效率更高、成本更低的方向發(fā)展。晶體硅材料表面的質(zhì)量對(duì)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率起著至關(guān)重要的作用，這是因?yàn)榫Ч璨牧系谋砻嫒毕菝芏群芨撸嬖谑崭迦掌冢?012-07-12；修訂日期：2012-09-12基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61106060）；中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目（Y2YF028001）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2012AA052401）資助項(xiàng)目作

6、者簡介：劉邦武（1979），男，山東巨野人，主要從事新能源材料與器件的研究。E-mail：liubangwuimeaccn，Tel：（010）82995758第11期劉邦武，等：液相沉積法制備的二氧化硅薄膜及其鈍化性能1265以上的熱氧化工藝通常可導(dǎo)致體少子壽命的明顯衰退。因此，對(duì)于高效的工業(yè)化硅太陽能電池技術(shù)而言，迫切需要一種新的低溫表面鈍化方法的出現(xiàn)。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）生長SiNx薄膜，具有低溫、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此SiNx鈍化成為晶硅電池表面的主要鈍化工藝，但是SiNx/Si界面晶格失配嚴(yán)重，其鈍化性能不如SiO2/Si。液相沉積具有沉積溫度低（3050）、選擇性生長、

7、沉積速率快、無需真空環(huán)境、設(shè)備簡單、薄膜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)1-3整，均勻地覆蓋在硅表面。300溫度下快速熱退火5min后薄膜的表面形貌見圖1（c），經(jīng)過退火處理后二氧化硅薄膜表面變得更平整、更致密。（a）。本文利用液相（b）沉積方法，在硅片表面生長二氧化硅薄膜對(duì)其進(jìn)行鈍化，研究薄膜微觀組織結(jié)構(gòu)和鈍化性能。2實(shí)驗(yàn)（c）實(shí)驗(yàn)所用襯底面積為125cm×125cm、厚度為（200±10）m、電阻率為13·cm的p型單晶硅片。硅片表面預(yù)處理：將硅片在4%HF溶液中浸泡5min，然后去離子水中浸泡1h，硅表面狀態(tài)為SiOH。配制溶液：量取適量的分析純氟硅酸（H2SiF6）溶液，其濃

8、度為30%34%，然后加入高純硅酸（H4SiO4）粉末（9999%）至溶液飽和，判斷溶液飽和的標(biāo)志是往里加入過氧化氫時(shí)，溶液會(huì)顯示橙黃色。將上述溶液磁力攪拌20min，溶液溫度調(diào)節(jié)為40，把預(yù)處理好的硅片放入溶液中進(jìn)行液相沉積二氧化硅薄膜。利用7001F）對(duì)薄膜的微場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（JEOLJSM-觀形貌進(jìn)行觀察；采用德國BRUKER公司的Ver-tex70V型傅立葉紅外光譜儀（FTIR）測(cè)定SiO2薄膜的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)；利用ThermoScientific公司的ESCALab250型X射線光電子能譜儀對(duì)薄膜的成分進(jìn)行分析，激發(fā)源為單色化AlKX射線，功率分析時(shí)的基礎(chǔ)真空度約為65×10為

9、150W，8圖1液相沉積SiO2薄膜的掃描電鏡照片。（a）沉積態(tài)薄膜表面；（b）沉積態(tài)薄膜界面；（c）退火態(tài)薄膜表面。Fig1ThemicrostructureoftheSiO2filmpreparedbyliq-（a）as-deposited（topview），uidphasedeposition，（b）as-deposited（sideview），and（c）annealed32薄膜的成分結(jié)構(gòu)圖2為液相沉積SiO2薄膜的光電子能譜譜圖，可以看到液相沉積生長的薄膜中主要含有Si、Pa，結(jié)合能用烷基碳或污染碳的C1s峰（2848Intensity/a.u.eV）校正。少數(shù)載流子壽命由微波光電導(dǎo)

10、衰減（-PCD）測(cè)試，2000利用Semilab公司生產(chǎn)的WT-PCD儀對(duì)樣品進(jìn)行少子壽命測(cè)量，型-測(cè)量時(shí)采用波長為904nm、脈沖寬度為200ns的激光激發(fā)11光生載流子，每個(gè)脈沖產(chǎn)生的載流子數(shù)為120×10。331結(jié)果與討論薄膜的微觀組織沉積后薄膜的微觀形貌如圖1所示，可以看Fig2圖2Bindingenergy/eV液相沉積SiO2薄膜的光電子能譜全譜XPSspectrumoftheSiO2filmpreparedbyliquidphasedeposition到液相沉積獲得的二氧化硅薄膜比較致密平1266發(fā)光學(xué)報(bào)第33卷O、F和C元素，其中C元素為校正元素。圖3為Si2p和O1

11、s的高分辨光電子能譜，Si2p的峰位于1036eV結(jié)合能處，從99eV（Si）到1036eV（SiO2）之間沒有其它的峰位出現(xiàn)，說明Si元素是以SiO2的形式存在于薄膜之中，并且峰形單一平滑，表明利用液相沉積法能在Si基底上制備質(zhì)量良好的SiO2薄膜；O1s的峰位于53304eV結(jié)合能處，并且峰的形狀非常對(duì)稱，說明形成的氧化物薄膜具有非常高的化學(xué)純度。擺振動(dòng)吸收峰，而且如此強(qiáng)的振動(dòng)吸收峰說明所生成的SiO2網(wǎng)絡(luò)排布規(guī)則，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性2。位于938cm1處的SiF振動(dòng)吸收峰來源于在薄膜生長過程溶液中的部分F離子以SiFSi的形式停留在薄膜中。對(duì)于622，746，1270cm1所對(duì)應(yīng)的Si

12、Si、SiC、SiCH3均來源于硅襯底。另外值得注意的是在33303750cm1處并沒有觀察到有些文獻(xiàn)中所報(bào)道的OH振動(dòng)吸收峰3，說明液相沉積生長的薄膜中不含水分子，薄膜生長有序，質(zhì)量較好。33薄膜的性能研究圖5是多晶硅制絨和液相沉積二氧化硅薄膜可以看到，在可見光波段，液相沉后的反射光譜，積二氧化硅薄膜后的硅片的反射率大大降低。液相沉積二氧化硅的減反射效果可用加權(quán)平均反射率Ra表示：Intensity/a.u.Bindingenergy/eV1100Ra=300R（）N（）d1100300，（1）Intensity/a.u.N（）dN（）為標(biāo)準(zhǔn)太陽光其中R（）為整體的反射率，1000W/cm2

13、、25°C入射光子通譜AM15G、量Bindingenergy/eV4-6。經(jīng)過計(jì)算得到，3001100nm波段范圍內(nèi)，液相沉積二氧化硅薄膜后的加權(quán)平均反射率分別為1088%，遠(yuǎn)低于酸制絨硅片的2887%。圖3Fig3Si2p和O1s的光電子能譜XPSspectraofSi2pandO1s反射率/%圖4為液相沉積SiO2薄膜的紅外吸收光譜。1103，815，463cm1等處的峰值分別代表SiOSi的非對(duì)稱振動(dòng)吸收峰、對(duì)稱振動(dòng)吸收峰、搖姿/nmAbsorbanceunits圖5多晶硅制絨和液相沉積二氧化硅薄膜后的反射光譜Thereflectanceofthetexturedsilico

14、nbeforeandafterliquidphasedepositionoftheSiO2filmWT2000測(cè)試的少子壽命是硅片的有效少子Fig5滓/cm-1壽命，衡量的是體少子復(fù)合和表面少子復(fù)合速度的綜合值。為了提取出表面少子復(fù)合信息，可以通過如下公式進(jìn)行計(jì)算7-8圖4Fig4液相沉積SiO2薄膜的紅外吸收光譜：（2）TheinfraredabsorptionspectrumoftheSiO2filmpre-paredbyliquidphasedeposition2Seff11=+，Weffbulk第11期劉邦武，等：液相沉積法制備的二氧化硅薄膜及其鈍化性能1267其中eff代表有效少子壽

15、命，bulk代表體少子壽命，Seff是表面少子復(fù)合速度，W是硅片厚度。為了更直接反映二氧化硅的表面鈍化效果，我們將通過此公式把有效少子壽命換算成表面復(fù)合速度進(jìn)行表征。退火溫度與退火時(shí)間對(duì)液相沉積SiO2薄膜鈍化性能的影響見圖6。隨退火溫度的升高，表面復(fù)合速度下降，薄膜鈍化效果變好；高于300，繼續(xù)升高退火溫度反而使鈍化特性變差。退火溫度為300時(shí)，隨著退火時(shí)間的增加，表面復(fù)合速度先下降，至退火時(shí)間為300s時(shí)達(dá)到最低，·Surfacerecombination/(cms-1)Annealingtemperature/隨后隨著退火時(shí)間的增加，表面復(fù)合速度又呈增加趨勢(shì)。與未沉積薄膜的硅片

16、相比，表面復(fù)合速cm/s降低至2830cm/s。·Surfacerecombination/(cms-1)度由69234結(jié)論利用液相沉積方法成功在硅基底上制備了二F元素。液相沉積二氧化氧化硅薄膜，薄膜致密平整，均勻覆蓋在硅片表面，成分中含有少量的硅薄膜后，硅在3001100nm波段范圍內(nèi)的反射率由2887%降低至1088%。研究了退火溫度和退火時(shí)間對(duì)液相沉積二氧化硅薄膜鈍化性能300退火660s，的影響，表面復(fù)合速度從6923cm/s降低至2830cm/s。Annealingtime/s圖6Fig6退火溫度與時(shí)間對(duì)表面復(fù)合速率的影響Thesurfacerecombinationvel

17、ocityvaryingwiththeannealingtemperatureandtime參考文獻(xiàn)：1HoungMP，WangYH，HuangCJ，etalQualityoptimizationofliquidphasedepositionSiO2filmsongalliumarsenideJSolid-stateElectronics，2000，44(11):1917-19232KyoungSK，YonghanRSilicondioxidedepositedbyusingliquidphasedepositionatroomtemperaturefornanometer-scaleisol

18、ationtechnologyJJKoreanPhysSoc，2007，51(3):1191-11943HuangCJ，HoungMP，WangYH，etalImproveformationofsilicondioxidefilmsinliquidphasedepositionJJ1998，16(4):2646-2652VacSciandTechnolA，4LiuCB，WangZGEffectsofswiftheavyionirradiationsonthephotoluminescentpropertiesofamorphousSiO2thinfilmsJChinJLumin(發(fā)光學(xué)報(bào))，2011，32(6):608-611(inChinese)5LiQY，WeiCP，SunXFPreparationandopticalpropertiesofAgZnO/SiO2thincompositefilmsJChinJLu-2010，31(2):230-234(inChinese)min(發(fā)光學(xué)報(bào))，6MennaP，DiFranciaG，LaFerraraVPoroussiliconinsolarcells:Areviewandadescriptionofitsapplicationa