等離子體與PECVD工藝介紹(注意)

等離子體與PECVD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(lèi)型3，PECVD在SolarCell的應(yīng)用4，PECVD的參數(shù)控制5，等離子體在Solarcell的其它應(yīng)用主要內(nèi)容：1.1，等離子體概述等離子態(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態(tài)，它可導(dǎo)電而且受電磁場(chǎng)影響，是非束縛態(tài)宏觀(guān)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(xiàn)等等。太陽(yáng)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(yáng)。1.1.1，物質(zhì)的幾種狀態(tài)1.1.2，電離氣體是一種常見(jiàn)的等離子體1.1.3，等離子體參數(shù)空間1.1.4，等離子體分類(lèi)1.2，等離子體的應(yīng)用低溫等離子體應(yīng)用冷等離子體應(yīng)用等離子體的化學(xué)過(guò)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)用高溫加熱：冶金、焊接、切割材料合成、加工、陶瓷燒結(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)用空間和天體等離子體術(shù)語(yǔ)“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(jiàn)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(guò)程中可能出現(xiàn)以下過(guò)程：1.3，輝光放電過(guò)程裂解：e*＋AB＝A＋B＋e原子離子化：e*＋A＝A＋＋e＋e分子離子化：e*＋AB＝AB＋＋e＋e原子激發(fā)：e*＋A＝A*＋e分子激發(fā)：e*＋AB＝AB*＋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(jiǎn)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電弧電離產(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。二次電子與中性原子非彈性碰撞產(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、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(mǎn)電荷。電荷積聚在表面，使電場(chǎng)減少，直到等離子體最終消失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，等離子體可以用交流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，電源在射頻范圍內(nèi)，一般為13.56MHz。1.4，射頻放電等離子體反應(yīng)室射頻電源調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)＋－射頻等離子體示意圖在一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)，這種系統(tǒng)一般運(yùn)行在13.56MHz下。各種技術(shù)被開(kāi)發(fā)用來(lái)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－微波通常稱(chēng)為高密度等離子體（HDP）1.4，高密度等離子體電極＋BIN簡(jiǎn)單的磁束縛等離子體中，電子被洛倫磁力束縛在陰極暗區(qū)，碰撞電離幾率大大增強(qiáng)e－e－Bin微波電源波導(dǎo)微波線(xiàn)圈電子回旋ECR等離子系統(tǒng)，需要大功率微波信號(hào)，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2，PECVD的原理，類(lèi)型2.1，PECVD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(chǎng)，使反應(yīng)室氣體發(fā)生輝光放電，在輝光發(fā)電區(qū)域產(chǎn)生大量的電子，通常結(jié)合磁場(chǎng)形成高密度等離子體。這些電子在電場(chǎng)的作用下獲得充足的能量，其本身溫度很高，它與氣體分子相碰撞，使氣體分子活化?；罨臍怏w分子吸附在襯底上，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，SolarCell的減反膜。PECVD允許襯底在較低溫度(一般300～450℃)下生長(zhǎng)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(jiàn)的實(shí)例。與熱反應(yīng)相比（一般800～1000℃），它有以下優(yōu)點(diǎn)：能淀積速率高；容易獲得比較均勻的組分；通過(guò)改變氣流比可以使薄膜組分連續(xù)變化（如可以容易控制SolarCellARC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原理介紹冷壁平行板：產(chǎn)能較低，一定程度均勻性的問(wèn)題，很適用于GaAs技術(shù)。后來(lái)改善了產(chǎn)能，均勻性提高到接近1％。熱壁平行板：存在氣體消耗/均勻性、以及顆粒的問(wèn)題。類(lèi)似于LPCVD。2.2，PECVD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)1，等離子體類(lèi)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(lèi)型：batch方式和inline方式2.3，PECVD的分類(lèi)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。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PECVDHeaterElectrode島津PECVD是直接等離子體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PECVD2.3.3，按激發(fā)頻率分類(lèi)Plasma直流0Hz低頻50HzRF13.5MHz微波2.45GHz一般是直接等離子體間接等離子體離子能量0－400eV2－10eV3，PECVD在SolarCell生長(zhǎng)中的應(yīng)用減反射膜表面鈍化體鈍化3.1，減反射作用一次反射R1

SiNP－Sin0n1ns二次反射R2目的：通過(guò)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(zhǎng)，薄膜的厚度應(yīng)該是1/4波長(zhǎng)的光程。ARC厚度：對(duì)于太陽(yáng)能電池，最小反射應(yīng)該在580－600nm位置。3.11，ARC厚度和折射率的設(shè)計(jì)對(duì)于n0﹤n1﹤ns，最終的反射率為：當(dāng)上式分子為0，即n0ns＝n12時(shí)，反射最小。對(duì)于電池片，n0=1，ns＝3.42，則n1＝1.86。對(duì)于組件，n0=1.46，ns＝3.42，則n1＝2.23。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n＝2.0－2.1，d＝75－80nm。3.12，ARC厚度和折射率的設(shè)計(jì)熱生長(zhǎng)氮化硅顏色圖，n＝1.97顏色厚度（nm）顏色厚度（nm）銀色20黃130－150褐色20－40橘紅150－180黃褐40－55紅色180－190紅色55－73暗紅190－210深藍(lán)73－77藍(lán)210－230藍(lán)77－93藍(lán)綠230－250淺藍(lán)93－100淺綠250－280極淺藍(lán)100－110橘黃280－300銀色110－120紅300－330淺黃120－130電池吸收光波長(zhǎng)范圍：300－1150nm，所以要求SiNx:H禁帶寬度要大于4eV。透射率公式：T(λ)＝1－R(λ)－A(λ)，R(λ)為反射率和A(λ)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3.14，幾種參數(shù)組合的反射率比較（Roth&Rau)3.2，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(guò)程中，大量的H原子（離子）進(jìn)入薄膜，飽和了大量的懸掛鍵。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，體鈍化體鈍化和后續(xù)的金屬化燒結(jié)工藝是分不開(kāi)的，由于熱退火，大量H原子從表面擴(kuò)散到體硅材料內(nèi)部。特別對(duì)于多晶硅，材料內(nèi)部存在大量晶界（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(cè)量H含量，鈍化效果的評(píng)估（R&R資料）從上表看出：燒結(jié)前后，N－H降低約30％；Si－H提高約20％，總H含量降低約10％。說(shuō)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IQE比較（Roth&Rau資料）4，工藝過(guò)程的參數(shù)控制（與Roth&Rau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，沉積溫度有3個(gè)加熱器，溫度范圍為：300－400℃。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(duì)比4.2，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0.05mbar－0.3mbar，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(duì)比。4.3，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/SiH4＝1.5－2.5。4.4，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：ton，toff4.4，不同微波功率和ton、toff的等離子分布和沉積速率4.5，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70－100cm/min，典型值80cm/min。4.6，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－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(zhǎng)度。沉積不均勻－調(diào)整左/右微波功率。5，等離子體在solarcell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是與化學(xué)溶液的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。缺點(diǎn)：缺乏各向同性、差的工藝控制和過(guò)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－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(kāi)始與結(jié)束、對(duì)溫度變化不那么敏感、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、高密度等離子刻蝕、剝離技術(shù)。5.2，等離子刻蝕的一般步驟反應(yīng)室的氣體被等離子體分離成可化學(xué)反應(yīng)的元素；這些元素?cái)U(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，直到發(fā)生反應(yīng)；反應(yīng)生成物解吸，離開(kāi)硅片并排放。5.3，反應(yīng)離子刻蝕（離子輔助刻蝕）在太陽(yáng)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，特別對(duì)于多晶硅，可以得到各向同性的刻蝕效果。工藝氣體：SF6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(duì)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(wú)關(guān)，高兼容性，光學(xué)特性好?？傻玫礁头瓷渎?，更高的電池效