PECVD培訓(xùn)原理PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1PECVD培訓(xùn)原理培訓(xùn)原理124 4 42PECVD的減反射效果PECVD的鈍化效果PECVD的薄膜形成機(jī)理PECVD的工藝參數(shù)影響第1頁(yè)/共20頁(yè) 1第一部分PECVD的減反射效果第2頁(yè)/共20頁(yè)P(yáng)ECVD的減反射原理： 圖示為四分之一波長(zhǎng)減反射膜的原理。從第二個(gè)界面返回到第一個(gè)界面的反射光與從第一個(gè)界面的反射光相位差180，所以前者在一定程度上抵消了后者。 在正常入射光束中從覆蓋了一層厚度為d1的透明層的材料，表面反射的能量所占比例的表達(dá)式是： 其中r1，r2分別是外界介質(zhì)-膜和膜-硅界面上的菲涅爾反射系數(shù)，為膜層厚度引起的位相角 。當(dāng)n1d1=0/4 時(shí)，反射有最小值：如果 ，則

2、理論反射率為零。第3頁(yè)/共20頁(yè) 空氣中硅表面的折射率nsi3.8，所以減反射膜的最佳折射率是硅折射率的平方根n1.95。 硅電池做成組件后，被封裝在玻璃（ n 1.5）下面，中間還要考慮一層EVA，所以此時(shí)減反射膜的最佳折射率是n2.3。 右圖的曲線表示，在空氣中和玻璃下的硅表面分別覆蓋折射率是1.9和2.3的減反射膜，從硅表面反射的入射光的百分比與波長(zhǎng)的關(guān)系。減反射膜的設(shè)計(jì)，使得約在波長(zhǎng)600nm處產(chǎn)生最小反射。 從覆蓋有減反射膜的硅表面反射的可用光的加權(quán)平均在10%，裸硅表面則超過(guò)30%。 減反射膜常沉積為非結(jié)晶的或無(wú)定形的薄層，以防止在晶界處的光散射問(wèn)題。用真空蒸發(fā)方法形成的減反射層一

3、般在紫外波長(zhǎng)區(qū)域要產(chǎn)生吸收。然而利用像使沉積的金屬薄層氧化或陽(yáng)極化這樣的工藝所形成的減反射層或用化學(xué)法沉積工藝形成的減反射層往往有玻璃結(jié)構(gòu)（小的無(wú)定形結(jié)構(gòu)），會(huì)減少紫外的吸收。第4頁(yè)/共20頁(yè)可見(jiàn)光在光譜中的位置第5頁(yè)/共20頁(yè)2第二部分PECVD的鈍化效果第6頁(yè)/共20頁(yè) 太陽(yáng)能級(jí)硅單晶和多晶硅材料存在著大量的雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷在晶體硅中引入深能級(jí)，顯著降低硅中的少數(shù)載流子壽命，從而影響太陽(yáng)電池的短路電流和電池的轉(zhuǎn)換效率。 少量的氫就能和硅中的缺陷和雜質(zhì)作用，形成一些復(fù)合體，由于這些復(fù)合體大多都是電中性，所以硅中的氫可以鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性。它不僅能鈍化晶體的表面或界面，還可以和金

4、屬雜質(zhì)結(jié)合，去除或改變相應(yīng)的深能級(jí)。此外，氫還能和位錯(cuò)上的懸掛鍵結(jié)合 ，達(dá)到去除位錯(cuò)電活性的目的；氫也能和空位作用，形成一種VHn復(fù)合體；氫還能鈍化由氧化而引入的點(diǎn)缺陷，改善器件性能。 PECVD沉積氮化硅薄膜鈍化太陽(yáng)能電池的作用從原理看實(shí)際上是薄膜中富含的氫對(duì)襯底硅中的雜質(zhì)和缺陷的鈍化。第7頁(yè)/共20頁(yè) 氫在硅中的存在形式主要取決于溫度，摻雜類型與濃度，氫的濃度，缺陷情況等，在低溫時(shí)，氫在硅中常以3種狀態(tài)存在： 1、在缺陷位置上被懸掛束縛，形成多重性的Si-H鍵，這種狀態(tài)的氫原子有著最低的勢(shì)能； 2、在沒(méi)有缺陷的位置上以穩(wěn)定氫分子H2的情況存在，在平衡條件下氫分子占據(jù)著硅四面體的中心位置，此

5、時(shí)它的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)都不活潑，低溫時(shí)也不易移動(dòng)； 3、氫在硅中最重要的形態(tài)是原子氫。氫原子占據(jù)所謂的金屬位，對(duì)未被束縛的氫來(lái)說(shuō)，這是能量最低的方式。在室溫時(shí)，一般情況下氫是不能以單獨(dú)的氫原子或氫離子存在的，它總是以復(fù)合體的形式存在于硅中。 在燒結(jié)過(guò)程中，因?yàn)楦邷?，硅片鍍膜后表面富含的氫原子還會(huì)向內(nèi)擴(kuò)散，能對(duì)硅片更深處進(jìn)行鈍化。所以，鍍膜后經(jīng)過(guò)燒結(jié)的硅片測(cè)試的少子壽命會(huì)高于PECVD鍍膜后的少子壽命。第8頁(yè)/共20頁(yè)3第三部分PECVD薄膜形成機(jī)理第9頁(yè)/共20頁(yè) PECVD按鍍膜方式可分為直接法和間接法，也可按設(shè)備分為管式和板式，還可以按激發(fā)方式、不同的射頻功率等細(xì)分。 在直接PECVD設(shè)備中

6、，SIH4和NH3同時(shí)被交變電場(chǎng)所激勵(lì)而產(chǎn)生等離子體，樣品直接置于等離子體中，表面受轟擊嚴(yán)重，可由燒結(jié)的熱處理來(lái)彌補(bǔ)。 在間接PECVD設(shè)備中，只有NH3被交變電場(chǎng)所激勵(lì)，而且樣品遠(yuǎn)離等離子體。被激勵(lì)的等離子體進(jìn)入反應(yīng)器和SIH4反應(yīng)并沉積到硅片的表面。由于這種方法產(chǎn)生的等離子體密度高，所以沉積的速率也往往比直接PECVD大，另外一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是由于等離子體離硅片表面較遠(yuǎn)，使電池表面損傷大大減少。島津的直接式PECVDRoth&Rau的間接式PECVD第10頁(yè)/共20頁(yè)直接法分為兩種：（1）管式PECVD系統(tǒng)：即使用像擴(kuò)散管一樣的石英管作為沉積腔室，使用電阻爐作為加熱體，將一個(gè)可以放置多片硅

7、片的石墨舟插進(jìn)石英管中進(jìn)行沉積。這種設(shè)備的主要制造商為德國(guó)的Centrothem公司、中國(guó)的第四十八研究所 、七星華創(chuàng)公司。（2）板式PECVD系統(tǒng)：即將多片硅片放置在一個(gè)石墨或碳纖維支架上，放入一個(gè)金屬的沉積腔室中，腔室中有平板型的電極，與樣品支架形成一個(gè)放電回路，在腔室中的工藝氣體在兩個(gè)極板之間的交流電場(chǎng)的作用下在空間形成等離子體，分解SiH4中的Si和H，以及NH3中的N形成SiNx沉積島 硅表面。這種沉積系統(tǒng)目前主要是日本島津公司在進(jìn)行生產(chǎn)。（1）微波法：使用微波作為激發(fā)等離子體的頻段。微波源置于樣品區(qū)域之外，先將氨氣離化，再轟擊硅烷氣，產(chǎn)生SiNx分子沉積在樣品表面。這種設(shè)備目前的主

8、要制造商為德國(guó)的Roth&Rau公司。（2）直流法：使用直流源激發(fā)等離子體，進(jìn)一步離化氨氣和硅烷氣。樣品也不與等離子體接觸。這種設(shè)備由荷蘭的OTB公司生產(chǎn)。間接法分為兩種：第11頁(yè)/共20頁(yè)不同PECVD設(shè)備的工作頻率有如下幾種：250 kHz：島津公司的板式直接法系統(tǒng)440 kHz：Semco公司的板式直接法 460 kHz：Centrotherm公司管式直接法13.6 MHz：Semco公司和MVSystem公司的板式直接法系統(tǒng)2450 MHz：Roth&Rau公司的板式間接法系統(tǒng)第12頁(yè)/共20頁(yè)各種設(shè)備的鍍膜比較： 這種比較也是在某些特定的沉積條件下的一般性的比較，改變沉積條件可以改變

9、薄膜的特性。第13頁(yè)/共20頁(yè)一般說(shuō)來(lái)，采用PECVD技術(shù)制備薄膜材料時(shí)，薄膜的生長(zhǎng)主要包含以下三個(gè)基本過(guò)程：（一）在非平衡等離子體中，電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級(jí)反應(yīng)，使得反應(yīng)氣體發(fā)生分解，形成離子和活性基團(tuán)的混合物；（二）各種活性基團(tuán)向薄膜生長(zhǎng)表面和管壁擴(kuò)散運(yùn)輸，同時(shí)發(fā)生各反應(yīng)物之間的次級(jí)反應(yīng)；（三）到達(dá)生長(zhǎng)表面的各種初級(jí)反應(yīng)和次級(jí)反應(yīng)產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)伴隨有氣相分子物的再放出。具體如下：（一）在輝光放電條件下，由于硅烷等離子體中的電子具有幾個(gè)ev以上的能量，因此H2和SiH4受電子的碰撞會(huì)發(fā)生分解，此類反應(yīng)屬于初級(jí)反應(yīng)。若不考慮分解時(shí)的中間激發(fā)態(tài)，可以得到如下一些生成SiHm(m

10、=0,1,2,3)與原子H的離解反應(yīng)：按照基態(tài)分子的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱計(jì)算，上述各離解過(guò)程（2.1）（2.5）所需的能量依次為2.1、4.1、4.4、5.9ev和4.5ev第14頁(yè)/共20頁(yè)等離子體內(nèi)的高能量電子還能夠發(fā)生如下的電離反應(yīng)：以上各電離反應(yīng)（2.6）（2.9）需要的能量分別為11.9，12.3，13.6和15.3ev，由于反應(yīng)能量的差異，因此（2.1）（2.9）各反應(yīng)發(fā)生的幾率是極不均勻的。此外，隨反應(yīng)過(guò)程（2.1）（2.5）生成的SiHm也會(huì)發(fā)生下列的次級(jí)反應(yīng)而電離，例如上述反應(yīng)如果借助于單電子過(guò)程進(jìn)行，大約需要12ev以上的能量。鑒于通常制備硅基薄膜的氣壓條件下（10100Pa），電子

11、密度約為1010cm-3的弱電離等離子體中10ev以上的高能電子數(shù)目較少，累積電離的幾率一般也比激發(fā)幾率小，因此硅烷等離子體中，上述離化物的比例很小，SiHm的中性基團(tuán)占支配地位，因此所需能量不同，SiHm的濃度按照SiH3,SiH2,Si,SiH的順序遞減。第15頁(yè)/共20頁(yè)（二）除上述的離解反應(yīng)和電離反應(yīng)之外，離子分子之間的次級(jí)反應(yīng)也很重要：因此，就離子濃度而言，SiH3+比SiH2+多。他可以說(shuō)明在通常的SiH4等離子體中SiH3+離子比SiH2+離子多的原因。此外，還會(huì)發(fā)生由等離子體中氫原子奪取SiH4中的氫的分子-原子碰撞反應(yīng)：這是一個(gè)放熱反應(yīng)，也是形成乙硅烷Si2H6的前驅(qū)反應(yīng)。當(dāng)

12、然上述基團(tuán)不僅僅處于基態(tài)，在等離子體中還會(huì)被激勵(lì)到激發(fā)態(tài)。對(duì)硅烷等離子體的發(fā)射光譜研究的結(jié)果表明，存在有Si,SiH,H等的光學(xué)允許躍遷激發(fā)態(tài)，也存在SiH2,SiH3的振動(dòng)激發(fā)態(tài)。第16頁(yè)/共20頁(yè)（三）硅烷等離子體中的離化基團(tuán)只是在低氣壓（5*10-3Torr）高電離的等離子體條件下才對(duì)薄膜沉積有顯著的貢獻(xiàn)，在一般硅薄膜的沉積條件下，各種中性基團(tuán)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離化基團(tuán)，SiH4分解產(chǎn)生的中性基團(tuán)是薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中最重要的活性物質(zhì)。由于薄膜生長(zhǎng)表面的懸掛鍵通常都被H鈍化，因此對(duì)于SiH2和SiH3等含氫的活性基團(tuán)，表面反應(yīng)必須經(jīng)歷吸收成鍵與放氫過(guò)程，并且放氫是這種反應(yīng)中必不可少的過(guò)程。下面以SiH2說(shuō)明這個(gè)過(guò)程：其中，（17）式是生長(zhǎng)表面的吸收成鍵過(guò)程，（18）式是放