等離子體與PECVD工藝介紹(注意)

1、等離子體與等離子體與PECVD工藝介紹工藝介紹1，等離子體概念、應(yīng)用與輝光放電2，PECVD的原理，類型3，PECVD在Solar Cell的應(yīng)用4，PECVD的參數(shù)控制5，等離子體在Solar cell的其它應(yīng)用主要內(nèi)容：1.1，等離子體概述，等離子體概述等離子態(tài)是物質(zhì)的第四種狀態(tài)等離子態(tài)是物質(zhì)的第四種狀態(tài)，它是氣體，其原子失去電子形成自由電子和正離子，兩者的量相等因此又叫做等離子兩者的量相等因此又叫做等離子態(tài)態(tài)，它可導(dǎo)電而且受電磁場影響，是非束縛態(tài)宏觀體系。宇宙中約99% 的物質(zhì)都是處在等離子體狀態(tài)，閃電、北極光、宇宙射線等等。太陽本身也就是個(gè)等離子體的大火球。產(chǎn)生等離子體有多種方式：電擊

2、穿、射頻放電、微波激發(fā)、沖擊波、高能粒子流、高溫加熱等手段。低溫/高溫等離子體：發(fā)光顯示、蝕刻、鍍膜；磁控核聚變發(fā)電、太陽。 1.1.1，物質(zhì)的幾種狀態(tài)，物質(zhì)的幾種狀態(tài)1.1.2，電離氣體是一種常見的等離子體，電離氣體是一種常見的等離子體1.1.3，等離子體參數(shù)空間，等離子體參數(shù)空間1.1.4，等離子體分類，等離子體分類1.2，等離子體的應(yīng)用，等離子體的應(yīng)用低溫等離子體應(yīng)用低溫等離子體應(yīng)用冷等離子體應(yīng)用冷等離子體應(yīng)用等離子體的化學(xué)過程：刻蝕，化學(xué)氣相沉積（成膜）等離子體材料處理：表面改性，表面冶金光源：冷光源（節(jié)能），顯示熱等離子體應(yīng)用熱等離子體應(yīng)用高溫加熱：冶金、焊接、切割材料合成、加工、陶

3、瓷燒結(jié)、噴涂、三廢處理光源：強(qiáng)光源軍事上和高技術(shù)上的應(yīng)用軍事上和高技術(shù)上的應(yīng)用空間和天體等離子體空間和天體等離子體術(shù)語“輝光放電輝光放電”是指發(fā)光由等離子體產(chǎn)生，高能態(tài)電子返回基態(tài)時(shí)以可見光輻射的形式釋放能量。等離子體能代替高溫，裂解分子并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也可用于產(chǎn)生和加速離子。在輝光放電過程中可能出現(xiàn)以下過程：1.3，輝光放電過程，輝光放電過程裂解： e*ABABe原子離子化：e*AAee分子離子化：e*ABABee原子激發(fā)： e*AA*e分子激發(fā)： e*ABAB*e上標(biāo)“*”表示能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基態(tài)的粒子。1.4，幾種簡單的等離子反應(yīng)室，幾種簡單的等離子反應(yīng)室L直流電源高壓電源泵氣體入口腔室高壓

4、電弧電離產(chǎn)生大量的正離子和自由電子電離產(chǎn)生大量的正離子和自由電子。正離子打在在陰極上，并從陰極材料釋放出大量的二次電子二次電子。二次電子與中性原子非彈性碰撞產(chǎn)生出更多的離子非彈性碰撞產(chǎn)生出更多的離子，維持了等離子體，并伴隨光輻射輝光放電。直流等離子體反應(yīng)室但是在許多情況下，一個(gè)或多個(gè)電極上的材料是絕緣的，如硅靶、一個(gè)或多個(gè)電極上的材料是絕緣的，如硅靶、電極上的硅片。電極上的硅片。當(dāng)離子轟擊硅片表面時(shí)，發(fā)射二次電子，使這些層充滿電荷。電荷積聚在表面，使電場減少，直到等離子體最終消失。為了解決這個(gè)問題，等離子體可以用交流信號來驅(qū)動，電為了解決這個(gè)問題，等離子體可以用交流信號來驅(qū)動，電源在射頻范圍內(nèi)

5、，一般為源在射頻范圍內(nèi)，一般為13.56MHz。1.4，射頻放電等離子體反應(yīng)室，射頻放電等離子體反應(yīng)室射頻電源調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)射頻等離子體示意圖在一個(gè)簡單得電容性放電等離子體中，離子和基團(tuán)得比例很小，很多年來，這種系統(tǒng)一般運(yùn)行在13.56MHz下。各種技術(shù)被開發(fā)用來產(chǎn)生高濃度等離子體：電感耦合等離子體：傳統(tǒng)等離子頻率上磁控等離子體：傳統(tǒng)等離子頻率電子回旋共振等離子體：1GHz以上等離子頻率微波以上等離子頻率微波通常稱為高密度等離子體（高密度等離子體（HDP）1.4，高密度等離子體，高密度等離子體電極BIN簡單的磁束縛等離子體中，電子被洛倫磁力束電子被洛倫磁力束縛在陰極暗區(qū)，縛在陰極暗區(qū)，碰撞電離幾率大

6、大增強(qiáng)eeBin微波電源波導(dǎo)微波線圈電子回旋電子回旋ECR等離子系統(tǒng)等離子系統(tǒng)，需要大功率微波信號，耦合入反應(yīng)室，能量由波導(dǎo)傳遞，一般微波頻率為2.45GHz。1.4，高密度等離子體，高密度等離子體2，PECVD的原理，類型的原理，類型2.1，PECVD原理介紹原理介紹在真空壓力下，加在電極板上的射頻（低頻、微波等）電場電場，使反應(yīng)室氣體發(fā)生輝光放電輝光放電，在輝光發(fā)電區(qū)域產(chǎn)生大量的電子大量的電子，通常結(jié)合磁場磁場形成高密高密度等離子體度等離子體。這些電子在電場的作用下獲得充足的能量充足的能量，其本身溫度很高，它與氣體分子相碰撞碰撞，使氣體分子活化活化。活化的氣體分子吸附在襯底上，并發(fā)生化學(xué)反

7、應(yīng)生成介質(zhì)膜并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成介質(zhì)膜，副產(chǎn)物從襯底上解吸，隨主氣流由真空泵抽走。PECVD技術(shù)可用于制作器件的鈍化膜、增透膜，還可以用于制作光電器件擴(kuò)散工藝的阻擋層，Solar Cell的減反膜的減反膜。PECVD允許襯底在較低溫度較低溫度(一般300450)下生長介質(zhì)薄膜。在許多應(yīng)用中，需要在非常低的襯底溫度下淀積薄膜。在鋁上淀積SiO2和在GaAs上淀積Si3N4保護(hù)層是兩個(gè)常見的實(shí)例。與熱反應(yīng)相比（一般8001000 ），它有以下優(yōu)點(diǎn)：能淀積速率高淀積速率高；容易獲得比較均勻的組分比較均勻的組分；通過改變氣流比可以使薄膜組分連續(xù)變化薄膜組分連續(xù)變化（如可以容易控制Solar Cell A

8、RC的Si:N，可以使薄膜組分由氧化物連續(xù)變化到氮化物）。2.1，PECVD原理介紹原理介紹冷壁平行板冷壁平行板：產(chǎn)能較低，一定程度均勻性的問題，很適用于GaAs技術(shù)。后來改善了產(chǎn)能，均勻性提高到接近1。熱壁平行板熱壁平行板：存在氣體消耗/均勻性、以及顆粒的問題。類似于LPCVD。2.2，PECVD的幾種基本結(jié)構(gòu)的幾種基本結(jié)構(gòu)PECVD的基本結(jié)構(gòu)：ECR，高密度等離子結(jié)構(gòu)。2.2，PECVD的幾種基本結(jié)構(gòu)的幾種基本結(jié)構(gòu)1，等離子體類型：Direct等離子體和Romote等離子體2，等離子激發(fā)頻率：低頻、射頻、微波3，反應(yīng)室：管式與平板式4，傳輸類型：batch方式和inline方式2.3，PE

9、CVD的分類的分類等離子體產(chǎn)生于兩平行電極之間，同時(shí)晶圓被固定在一個(gè)電極上，晶圓作為電極的一部分。晶圓作為電極的一部分。在這種情況下，晶圓一般處于等離子體中。典型代表：Centrotherm，島津。2.3.1，Direct等離子體等離子體PECVDHeaterElectrode島津島津PECVD是直接等離子體是直接等離子體晶圓不作為電極的一部分晶圓不作為電極的一部分，同時(shí)晶圓處于等離子體以外。典型代表：Roth&Rau.2.3.2，Romote等離子體等離子體PECVD2.3.3，按激發(fā)頻率分類，按激發(fā)頻率分類Plasma直流0 Hz低頻50 HzRF13.5 MHz微波2.45 GH

10、z一般是直接等離子體間接等離子體離子能量0400 eV210 eV3 3，PECVDPECVD在在Solar CellSolar Cell生長中的應(yīng)用生長中的應(yīng)用減反射膜表面鈍化體鈍化3.1，減反射作用，減反射作用一次反射R1 SiN PSin0n1ns二次反射R2目的：通過調(diào)整SiN的厚度及折射率，使得R1和R2相消干涉，即光程差為1/2波長，薄膜的厚度應(yīng)該是1/4波長的光程。ARC厚度：對于太陽能電池，最小反射應(yīng)該在580600nm位置。3.11，ARC厚度和折射率的設(shè)計(jì)厚度和折射率的設(shè)計(jì)對于n0n1 ns，最終的反射率為：當(dāng)上式分子為0，即n0nsn12時(shí)，反射最小。對于電池片，n0=1

11、，ns3.42，則n11.86。對于組件， n0=1.46， ns3.42，則n12.23。這只是理論上的數(shù)值，而實(shí)際上還要考慮減反膜的吸收，表面鈍化，體鈍化等多方面的因素，在這些變化中找到最佳的平衡值，一般是n2.02.1，d7580nm。3.12，ARC厚度和折射率的設(shè)計(jì)厚度和折射率的設(shè)計(jì)熱生長氮化硅顏色圖，熱生長氮化硅顏色圖，n n1.971.97顏色顏色厚度（厚度（nm）顏色顏色厚度（厚度（nm）銀色20黃130150褐色2040橘紅150180黃褐4055紅色180190紅色5573暗紅190210深藍(lán)深藍(lán)7377藍(lán)210230藍(lán)7793藍(lán)綠230250淺藍(lán)93100淺綠250280

12、極淺藍(lán)100110橘黃280300銀色110120紅300330淺黃120130電池吸收光波長范圍：3001150nm，所以要求SiNx:H禁帶寬度要大于4eV。透射率 公式：T()1R()A()，R()為反射率和A()為吸收率。SiNx:H的折射率1.9時(shí)，帶寬5.3eV，當(dāng)提高薄膜中Si含量，折射率提高，帶寬降低，吸收也越多，最小帶寬1.8eV。3.13，ARC的吸收損失的吸收損失3.14，幾種參數(shù)組合的反射率比較（，幾種參數(shù)組合的反射率比較（Roth&Rau)3.2，表面鈍化，表面鈍化晶圓表面存在很多的表面態(tài)、晶界、缺陷。在PECVD沉積過程中，大量的H原子（離子）進(jìn)入薄膜，飽和

13、了大量的懸掛鍵。降低了復(fù)合中心的作用，提高短波響應(yīng)與短路電流。3.3，體鈍化，體鈍化體鈍化和后續(xù)的金屬化燒結(jié)工藝是分不開的，由于熱退火，大量H原子從表面擴(kuò)散擴(kuò)散到體硅材料內(nèi)部。特別對于多晶硅，材料內(nèi)部存在大量晶界晶界（面缺陷），H原子可以飽和晶界位置的懸掛鍵，降低復(fù)合中心的作用，提高短路電流。3.4，F(xiàn)TIR測量測量H含量，鈍化效果的評估（含量，鈍化效果的評估（R&R資料）資料）從上表看出：燒結(jié)前后，NH降低約30；SiH提高約20，總H含量降低約10。說明了20的H進(jìn)入材料內(nèi)部，起體鈍化作用。3.5，燒結(jié)前后的，燒結(jié)前后的IQE比較（比較（Roth&Rau資料）資料）4，工藝

14、過程的參數(shù)控制（與，工藝過程的參數(shù)控制（與Roth&Rau為例為例)沉積溫度沉積壓強(qiáng)氣體流量、比例微波功率：最大功率，ton，toff傳輸速度4.1，沉積溫度，沉積溫度有3個(gè)加熱器，溫度范圍為：300400。典型的溫度設(shè)置在350 。3種沉積溫度下，內(nèi)量子效應(yīng)的對比4.2，沉積壓強(qiáng)，沉積壓強(qiáng)壓力主要影響等離子體區(qū)域的半徑和反應(yīng)氣體的停滯時(shí)間，結(jié)果影響了SiNx:H的組分和鈍化特性。一般在0.05mbar0.3mbar，典型值0.1mbar 。不同沉積壓強(qiáng)下，燒結(jié)前后的內(nèi)量子效應(yīng)對比。4.3，氣體流量，氣體流量氣體的總流量影響了薄膜沉積速率，流量比影響了折射率、鈍化效果。典型流量比NH3

15、/SiH41.52.5。4.4，微波功率，微波功率微波功率影響了等離子體的分布和沉積速率：4.4，微波功率的脈沖頻率：，微波功率的脈沖頻率：ton，toff4.4，不同微波功率和，不同微波功率和ton、toff的等離子分布和沉積速率的等離子分布和沉積速率4.5，傳輸速率，傳輸速率Carrier的傳輸速率影響了薄膜沉積速率和均勻性。典型范圍是70100cm/min，典型值80cm/min。4.6，工藝參數(shù)的總結(jié)，工藝參數(shù)的總結(jié)壓強(qiáng)：較高壓強(qiáng)較低的沉積速率。 壓強(qiáng)折射率、鈍化效果。溫度：較高溫度稍微降低沉積速率。 高溫降低少子壽命，粒子產(chǎn)生。氣流量：較高氣流量較高的沉積速率。氣體比例：更多SiH4

16、提高反射率、吸收增大。微波功率：較高的P-mean稍微提高沉積速率。 P-peak調(diào)整等離子體分布長度 。 沉積不均勻調(diào)整左/右微波功率。5，等離子體在，等離子體在solar cell的其他引用的其他引用等離子蝕刻機(jī)去邊反應(yīng)離子刻蝕表面質(zhì)構(gòu)化5.1，濕法刻蝕與干法刻蝕，濕法刻蝕與干法刻蝕濕法刻蝕濕法刻蝕是與化學(xué)溶液的化學(xué)反應(yīng)過程。缺點(diǎn)：缺乏各向同性、差的工藝控制和過度的顆粒沾污；優(yōu)點(diǎn)：較高的選擇比，一般不產(chǎn)生襯底損傷。廣泛應(yīng)用于非關(guān)鍵尺寸工藝。干法刻蝕干法刻蝕等離子刻蝕，氣體離子、原子團(tuán)、電子、中性粒子的轟擊、反應(yīng)。缺點(diǎn)：襯底損傷、殘余物污染、金屬雜質(zhì)；優(yōu)點(diǎn)：容易開始與結(jié)束、對溫度變化不那么敏

17、感、重復(fù)性好、高的各向異性、環(huán)境顆粒少、化學(xué)廢液少。等離子刻蝕：高壓等離子刻蝕、離子銑、反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕、高密度等離子刻蝕、剝離技術(shù)。剝離技術(shù)。5.2，等離子刻蝕的一般步驟，等離子刻蝕的一般步驟反應(yīng)室的氣體被等離子體分離分離成可化學(xué)反應(yīng)的元素；這些元素?cái)U(kuò)散并吸附擴(kuò)散并吸附在硅片表面；這些元素在硅表面上進(jìn)行表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散，直到發(fā)生反應(yīng)反應(yīng)；反應(yīng)生成物解吸解吸，離開硅片并排放。5.3，反應(yīng)離子刻蝕（離子輔助刻蝕）在太陽能電池的應(yīng)用，反應(yīng)離子刻蝕（離子輔助刻蝕）在太陽能電池的應(yīng)用目的：優(yōu)化電池表明形貌，降低綜合反射率降低綜合反射率，特別對于多晶硅，可以得到各向同性各向同性的刻蝕效果。工藝氣

18、體：SF6和和O2的混合物。工藝參數(shù)：氣流量、溫度、刻蝕時(shí)間、壓強(qiáng)、等離子源相比與濕法的優(yōu)點(diǎn)：對于150um的薄晶圓，單面刻蝕改善了surface-to-volume比例，降低表面復(fù)合率。質(zhì)構(gòu)化與硅襯底材料無關(guān)，高兼容性，光學(xué)特性好?？傻玫礁头瓷渎剩叩碾姵匦?.4，應(yīng)用實(shí)例（，應(yīng)用實(shí)例（ Roth&Rau）Roth&Rau的等離子蝕刻系統(tǒng)5.4.1，氧氣含量是最重要的參數(shù)，氧氣含量是最重要的參數(shù)， SF6/O2最優(yōu)區(qū)域氧氣含量低于30，壓強(qiáng)高于0.1mbar，反射率小于105.4.2，刻蝕速率與反射率的均勻性，刻蝕速率與反射率的均勻性刻蝕時(shí)間與反射率，從saw damage晶片開始5.4.3，工藝參數(shù)刻蝕時(shí)間，工藝參數(shù)刻蝕時(shí)間質(zhì)構(gòu)化的表面形貌5.4.4，表明形貌，表明形貌反射率比較：質(zhì)構(gòu)化的反射率降低約205.4.5，質(zhì)構(gòu)化的反射率降低約，質(zhì)構(gòu)化的反射率降低約20有效表面復(fù)合速率與O2含量的關(guān)系反應(yīng)離子刻蝕NaOH去表面損傷，無質(zhì)構(gòu)化。殘余物SixOyFz，降低表面鈍化效果。表面損傷？5.4.6，電學(xué)特性有效表面復(fù)