PECVD工藝培訓(xùn)資料

PECVD工藝技術(shù)技術(shù)部2012-03第一頁，共九十頁。晶硅太陽能電池加工工藝

晶硅電池生產(chǎn)工藝流程硅片檢測磷擴散PECVD絲網(wǎng)印刷燒結(jié)13567清洗制絨2洗磷刻蝕4檢測分選8第二頁，共九十頁。目錄工藝原理1設(shè)備介紹2工藝控制3過程檢驗4第三頁，共九十頁。PECVD工藝1PECVD相關(guān)定義2PECVD減反射膜的作用3PECVD原理4減反射膜的種類及特點工藝原理12第四頁，共九十頁。PECVD工藝PECVD--等離子增強的化學(xué)氣相沉積PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition等離子體--氣體在一定條件下受到高能激發(fā)，發(fā)生電離，部分外層電子脫離原子核，形成電子、正離子和中性粒子混合組成的一種形態(tài)，這種形態(tài)就稱為等離子態(tài)。PECVD相關(guān)定義31第五頁，共九十頁。近代科學(xué)研究的結(jié)果表明，物質(zhì)除了具有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的這三種早為人們熟悉形態(tài)之外，在一定的條件下，還可能具有更高能量的第四種形態(tài)——等離子體狀態(tài)。普通氣體由電中性的分子或原子組成，而等離子體則是帶電粒子和中性粒子的集合體。等離子體和普通氣體在性質(zhì)上更是存在本質(zhì)的區(qū)別，首先，等離子體是一種導(dǎo)電流體，但是又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內(nèi)維持電中性；其次，氣體分子間不存在凈電磁力，而等離子體中的帶電粒子之間存在庫侖力；再者，作為一個帶電粒子體系，等離子體的運動行為會受到電磁場的影響和支配。因此，等離子體是完全不同于普通氣體的一種新的物質(zhì)聚集態(tài)。PECVD工藝第六頁，共九十頁。PECVD工藝為什么要做減反射膜硅片經(jīng)擴散到腐蝕周邊工序后，已具備光電轉(zhuǎn)換能力。但是，由于光在硅表面的反射使光損失約1/3，即使經(jīng)絨面處理的硅表面，損失仍約為11%。為減少反射損失，根據(jù)薄膜干涉原理，在電池表面制作一層減反射膜，使電池短路電流和輸出增加。PECVD減反射膜的作用32第七頁，共九十頁。PECVD工藝第八頁，共九十頁。PECVD工藝SiN膜的作用減反射作用照射到硅片上的光有相當(dāng)一部分會被反射掉。如果在硅表面制備一層或多層薄膜，利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大為減少，這種膜稱為太陽電池的減反射膜ARC(antireflectioncoating)。制備減反射膜后，電池的短路電流會有很大增加，轉(zhuǎn)換效率相應(yīng)也有很大提高。第九頁，共九十頁。PECVD工藝鈍化作用

PECVD沉積SiN膜時，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中含氫，因此沉積的薄膜中有較高的氫含量，氫會從SiN薄膜中釋放，擴散到界面和硅中，最終與懸掛鍵結(jié)合，起到鈍化作用。

PECVD沉積SiN薄膜會有一定程度的表面損傷，形成較多空位?？瘴荒茉鰪姎涞臄U散，和氫形成氫－空位對{V、H}＋。使氫更容易與缺陷及晶界處的懸掛鍵結(jié)合，從而減小界面態(tài)密度和復(fù)合中心。對于多晶硅和其它低質(zhì)量的硅片（如硅帶），因為體內(nèi)具有大量的空位、缺陷和晶界等，沉積SiN膜后能獲得很好的表面和體內(nèi)鈍化效果。因此，SiN膜在低質(zhì)量硅片制作的電池上的鈍化效果更為明顯。第十頁，共九十頁。PECVD工藝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。第十一頁，共九十頁。PECVD工藝PECVD的原理33硅基光伏電池有不同的光譜響應(yīng)靈敏度，能夠產(chǎn)生光伏效應(yīng)的太陽輻射波長范圍一般在0.4-1.2um左右，從圖中可以看出硅基光伏電池光譜響應(yīng)最大靈敏度在0.8-0.95um之間。硅基光伏電池的相對光譜響應(yīng)曲線第十二頁，共九十頁。PECVD工藝一次反射R1

SiNN-Sin0n1ns二次反射R2通過調(diào)整薄膜厚度及折射率，使得兩次反射產(chǎn)生相消干涉，反射光相位相差180度即光程差為1/2波長。薄膜的厚度應(yīng)該是1/4波長的光程，即光程差n1d1=λ/4。d1空氣或玻璃n0=1or1.5；硅n2=3.87；SiN減反膜的最佳折射率n1為1.9或2.3；第十三頁，共九十頁。一般說來,采用PECVD技術(shù)制備薄膜材料時，薄膜的生長主要包含以下三個基本過程：（一）在非平衡等離子體中，電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級反應(yīng)，使得反應(yīng)氣體發(fā)生分解，形成離子和活性基團的混合物；（二）各種活性基團向薄膜生長表面和管壁擴散輸運，同時發(fā)生各反應(yīng)物之間的次級反應(yīng)；（三）到達生長表面的各種初級反應(yīng)和次級反應(yīng)產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng)，同時伴隨有氣相分子物的再放出。PECVD工藝第十四頁，共九十頁。（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ev以上的能量，因此H2和SiH4受電子的碰撞會發(fā)生分解，此類反應(yīng)屬于初級反應(yīng)。若不考慮分解時的中間激發(fā)態(tài)，可以得到如下一些生成SiHm（m=0,1,2,3）與原子H的離解反應(yīng)：PECVD工藝第十五頁，共九十頁。按照基態(tài)分子的標準生產(chǎn)熱計算，上述各離解過程(2.1)~(2.5)所需的能量依次為2.1、4.1、4.4、5.9eV和4.5eV。e+SiH4→SiH2+H2+e(2.1)e+SiH4→SiH3+H+e(2.2)e+SiH4→Si+2H2+e(2.3)e+SiH4→SiH+H2+H+e(2.4)e+H2→2H+e(2.5)PECVD工藝第十六頁，共九十頁。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)：e+SiH4→SiH2++H2+2e(2.6)e+SiH4→SiH3++H+2e(2.7)e+SiH4→Si++2H2+2e(2.8)e+SiH4→SiH++H2+H+2e(2.9)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。PECVD工藝第十七頁，共九十頁。此外，隨反應(yīng)過程(2.1)~(2.5)生成的SiHm也會發(fā)生下列的次級反應(yīng)而電離，例如SiH+e→SiH++2e(2.10)SiH2+e→SiH2++2e(2.11)SiH3+e→SiH3++2e(2.12)PECVD工藝第十八頁，共九十頁。上述反應(yīng)如果借助于單電子過程進行，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（10～100Pa）,電子密度約為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的中性基團占支配地位，因為所需能量不同，SiHm的濃度按照SiH3,SiH2,Si,SiH的順序遞減。PECVD工藝第十九頁，共九十頁。（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反應(yīng)也很重要：

SiH2++SiH4→SiH3++SiH3(2.13)

因此，就離子濃度而言，SiH3+比SiH2+多。它可以說明在通常的SiH4等離子體中SiH3+離子比SiH2+離子多的原因。此外，還會發(fā)生由等離子體中氫原子奪取SiH4中氫的分子-原子碰撞反應(yīng)：

H+SiH4→SiH3+H2(2.14)

這是一個放熱反應(yīng)，也是形成乙硅烷Si2H6的前驅(qū)反應(yīng)。當(dāng)然上述基團不僅僅處于基態(tài)，在等離子體中還會被激勵到激發(fā)態(tài)。對硅烷等離子體的發(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)[11],也存在SiH2,SiH3的振動激發(fā)態(tài)。PECVD工藝第二十頁，共九十頁。（三）硅烷等離子體中的離化基團只是在低氣壓（<5×10-3Torr）高電離的等離子體條件下才對薄膜沉積有顯著的貢獻，在一般硅薄膜的沉積條件下，各種中性基團的含量遠遠大于離化基團，SiH4分解產(chǎn)生的中性基團是薄膜生長過程中最重要的活性物質(zhì)。PECVD工藝第二十一頁，共九十頁。由于薄膜生長表面的懸掛鍵通常都被H鈍化，因此對于SiH2和SiH3等含氫的活性基團，表面反應(yīng)必須經(jīng)歷吸收成鍵與放氫過程，并且放氫是這種反應(yīng)中必不可少的過程。下面以SiH2說明這個過程：

SiH2+(Si-H)→(Si-SiH3*)(2.17)(Si-SiH3*)→(Si-SiH)+H2(2.18)(Si-SiH)+(Si-H)→(Si-Si-SiH2)(2.19)

其中，(17)式是生長表面的吸收成鍵過程，(18)式是放氫過程，(19)式是放氫后與鄰近的Si-H鍵結(jié)合構(gòu)成新的生長表面的過程。PECVD工藝第二十二頁，共九十頁。SiH3參與的過程與此相近，不同之處在于它被表面吸收的方式：

(Si-H)+SiH3→(Si-)+SiH4(2.20)(Si-)+SiH3→(Si-SiH3*)(2.21)首先，SiH3基團通過(2.20)式的反應(yīng)從鈍化表面Si-H鍵中奪H，產(chǎn)生表面懸鍵Si-。由于SiH3基團有一個未配對的自旋，因此另外的SiH3基團容易被生長表面的懸鍵Si-吸收，發(fā)生(2.21)式所示的表面吸收成鍵過程。隨后的放氫以及與Si-Si鍵合，同Si-H2基團沉積過程中的情況可以完全一樣，但是也更容易通過相鄰的(Si-SiH3*)之間的(Si-H)合并而實現(xiàn)。PECVD工藝第二十三頁，共九十頁。PECVD工藝第二十四頁，共九十頁。PECVD工藝二氧化硅（SiO2）比較容易沉積，不需要專用設(shè)備?！巴嘶稹盨iO2有很好的鈍化性能。FZ-Si都取得了非常好的結(jié)果，效率可達到20.6%。它的低折射率（n=1.46），這對于加乙基醋酸乙烯（EVA）和玻璃（對大部分太陽光譜的折射系數(shù)是1.5）后封裝起來的太陽能電池來說，不易做減反射膜。減反射膜的種類及特點34第二十五頁，共九十頁。PECVD工藝氮化硅（Si3N4）Si3N4的折射率較高，Si3N4在λ=300-1200nm波長范圍內(nèi)的折射率n=2.0-2.2，而且很少散射。Si3N4膜有較好的擴散鈍化效果和更好的掩膜性能，這對選擇性發(fā)射極很有意義。第二十六頁，共九十頁。PECVD工藝氮氧化硅（SiON）制備方法：PECVD、LPCVD、SiO2膜的氮化。膜的氮：氧（N:O）比率可以變化，可以在硅的界面增加氮的濃度，減小扭曲硅-氧鍵的濃度，較低表面態(tài)的密度。SiON的鈍化效果比較差，表面復(fù)合速度高達10000cm/s，而且折射率較低（n≈1.7）。硫化鋅膜（ZnS）制備方法：熱蒸發(fā)工藝沉積、濺射、噴涂熱分解法沉積。但它和氟化鎂（MgF2）共用組成空間電池用的雙減反射膜已在實驗室廣泛應(yīng)用。最常用的雙反射層減反射膜為110nmMgF2/35nmZnS，在界面生長一層20nm厚的SiO2膜。雖然高溫蒸發(fā)工藝能提高ZnS膜的化學(xué)和機械穩(wěn)定型，但其在水溶液中不十分穩(wěn)定。第二十七頁，共九十頁。PECVD工藝二氧化鈦（TiO2）制備方法：常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）、噴射沉積法、旋轉(zhuǎn)涂布法。直到九十年代，TiO2都是PV工業(yè)的主要減反射膜。玻璃/TiO2/絨面硅片在450－1020nm范圍內(nèi)的反射率小于5%，在整個波長范圍內(nèi)的平均反射率可達5.8%。這對于封裝后EVA膜太陽能電池來說效果非常好。對硅片表面沒有鈍化效果。需在下面制備一層SiO2，但其對SiO2鈍化層的的厚度敏感。TiO2膜還具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低成本、適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。第二十八頁，共九十頁。PECVD工藝1PECVD設(shè)備廠家2制備SixNy薄膜設(shè)備的分類3Roth&Rau平板式PECVD設(shè)備4Centrotherm管式PECVD設(shè)備設(shè)備介紹22第二十九頁，共九十頁。PECVD工藝PECVD設(shè)備廠家較多，各家設(shè)備成膜的原理不盡相同，主要是Roth&Rau、Centrotherm、OTB、島津等。國內(nèi)中電48所等單位也在生產(chǎn)，但自動化程度差別很大。PECVD設(shè)備廠家31中國電子科技集團公司第四十八研究所第三十頁，共九十頁。PECVD工藝制備SixNy薄膜設(shè)備的分類32第三十一頁，共九十頁。PECVD工藝第三十二頁，共九十頁。PECVD工藝第三十三頁，共九十頁。PECVD工藝第三十四頁，共九十頁。PECVD工藝第三十五頁，共九十頁。PECVD工藝第三十六頁，共九十頁。PECVD工藝第三十七頁，共九十頁。PECVD工藝第三十八頁，共九十頁。PECVD工藝第三十九頁，共九十頁。PECVD工藝第四十頁，共九十頁。PECVD工藝第四十一頁，共九十頁。PECVD工藝第四十二頁，共九十頁。PECVD工藝第四十三頁，共九十頁。PECVD工藝第四十四頁，共九十頁。PECVD工藝第四十五頁，共九十頁。PECVD工藝第四十六頁，共九十頁。PECVD工藝第四十七頁，共九十頁。PECVD工藝第四十八頁，共九十頁。PECVD工藝第四十九頁，共九十頁。PECVD工藝第五十頁，共九十頁。PECVD工藝SiNA系列PECVD設(shè)備是德國Roth&RauAG公司所生產(chǎn)，SiNA是德文Silizium（硅）-Nitrid（氮）-Anlage（處理系統(tǒng)）的縮寫。按照產(chǎn)量將該系列不同機型標識為“L”，“XL”,“XXL”。型號的不同主要取決于載板的大小，真空艙的尺寸，等離子體源的個數(shù)，真空泵抽真空的速度，這些因素都將影響生產(chǎn)循環(huán)所需的時間。等離子產(chǎn)生方式：微波（2.45GHz）。Roth&Rau平板式PECVD設(shè)備33第五十一頁，共九十頁。PECVD工藝硅片尺寸125*125mmModelWafersizemmThroughput(gross)W/hWafersperCarrierPlasmasourcesCycletimesSiNAL125180036472SiNAXL125230036655SiNAXXL1253300-350066866-72硅片尺寸156*156mmModelWafersizemmThroughput(gross)W/hWafersperCarrierPlasmasourcesCycletimesSiNAL156125025472SiNAXL156163525655SiNAXXL1562200-240045866-72第五十二頁，共九十頁。PECVD工藝SiNA設(shè)備是由三個主要的腔體組成，這三個腔體可根據(jù)其功能而分別為進料腔，工藝腔和出料腔。這三個腔體是分別獨立的而且由氣控的閥門而隔開。在進料腔的位置裝配了紅外線的加熱燈，通過這個加熱燈可使得未敷層的硅片在進入接下來的工藝腔前在極短的時間內(nèi)迅速加熱到350到450度。而作為設(shè)備核心的工藝腔在功能上可以被分為三大區(qū)域。首先為加熱區(qū)，在這個區(qū)域里即將敷層的硅片表面溫度被穩(wěn)定在敷層所需要的設(shè)定值。接下來是覆層區(qū)域和最后的冷卻區(qū)域。冷卻區(qū)域安排在敷層區(qū)域之后，主要負責(zé)為載板及被敷層和已進行過鈍化處理后的硅片在離開系統(tǒng)前進行冷卻。

SiNA系統(tǒng)主要有真空系統(tǒng)、等離子系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電路自動控制系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)由PC系統(tǒng)控制。第五十三頁，共九十頁。PECVD工藝第五十四頁，共九十頁。PECVD工藝第五十五頁，共九十頁。PECVD工藝第五十六頁，共九十頁。PECVD工藝第五十七頁，共九十頁。PECVD工藝第五十八頁，共九十頁。PECVD工藝第五十九頁，共九十頁。PECVD工藝第六十頁，共九十頁。PECVD工藝第六十一頁，共九十頁。PECVD工藝第六十二頁，共九十頁。PECVD工藝第六十三頁，共九十頁。PECVD工藝CentrothermPECVD系統(tǒng)是一組利用平行板鍍膜舟和高頻等離子激發(fā)器的系列發(fā)生器。在低壓和升溫的情況下，等離子發(fā)生器直接在裝在鍍膜板中間的介質(zhì)的中間發(fā)生反應(yīng)。所用的活性氣體為硅烷SiH4和氨NH3。這些氣體作用于存儲在硅片上的氮化硅?？梢愿鶕?jù)改變硅烷對氨的比率，來得到不同的折射指數(shù)。在沉積工藝中，伴有大量的氫原子和氫離子的產(chǎn)生，使得晶片的氫鈍化性十分良好。管式直接等離子方式鍍膜。Centrotherm管式PECVD設(shè)備34第六十四頁，共九十頁。PECVD工藝設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括：晶片裝載區(qū)爐體特氣柜真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)第六十五頁，共九十頁。PECVD工藝CentrothremPECVD設(shè)備第六十六頁，共九十頁。PECVD工藝第六十七頁，共九十頁。PECVD工藝晶片裝載區(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)：軟著陸系統(tǒng)，控制槳的上下，移動范圍在2—3厘米。第六十八頁，共九十頁。PECVD工藝爐體：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、防腐蝕反應(yīng)。加熱系統(tǒng)：位于石英管外，有五個溫區(qū)。第六十九頁，共九十頁。PECVD工藝冷卻系統(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第七十頁，共九十頁。PECVD工藝冷卻系統(tǒng)示意圖第七十一頁，共九十頁。PECVD工藝特氣柜：MFC氣動閥MFC：氣體流量計（NH3SiH4O2N2）SiH41.8slmNH310.8slmO23slmN215slm氣動閥：之所以不用電磁閥是因為電磁閥在工作時容易產(chǎn)生火花，而氣動閥可以最大程度的避免火花。第七十二頁，共九十頁。PECVD工藝真空系統(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。第七十三頁，共九十頁。PECVD工藝控制系統(tǒng)CMI：是Centrotherm研發(fā)的一個控制系統(tǒng)，其中界面包括Jobs、System、Datalog、Setup、Alarms、Help。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。

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獨立于主電腦系統(tǒng)中。第七十四頁，共九十頁。PECVD工藝控制系統(tǒng)第七十五頁，共九十頁。PECVD工藝第七十六頁，共九十頁。PECVD工藝第七十七頁，共九十頁。PECVD工藝第七十八頁，共九十頁。PECVD工藝第七十九頁，共九十頁。PECVD工藝1平板式/管式PECVD設(shè)備1.1用具與材料準備1.2PECVD所用化學(xué)品工藝氣體32第八十頁，共九十頁。PECVD工藝用具與材料準備31

耐高溫手套載片盒真空吸筆第八十一頁，共九十頁。PECVD工藝硅烷（SiH4）硅烷在常溫常壓下為具有惡臭的無色氣體，在室溫下著火。硅烷是強還原劑，與重金屬鹵化物激烈反應(yīng)，與氯、溴發(fā)生爆炸性反應(yīng)，與四氯化碳激烈反應(yīng)。當(dāng)硅烷大量泄漏時，緊接著就要著火。應(yīng)盡可能去關(guān)閉閥門以止住氣體的流出。PECVD所用化學(xué)品32第八十二頁，共九十頁。PECVD工藝氨氣（NH3）氨氣在常溫常壓下為具有特殊刺激惡臭的無色有毒氣體，比空氣輕，氨在常溫下穩(wěn)定，但在高溫分解生成氫和氮。氨氣成堿性，具有強腐蝕性，易溶于水，并生成氫氧化胺即氨水，對銅、銀、錫、鋅及其合金發(fā)生激烈作用。最高容許濃度：25ppm（18mg/m3），對人身體有刺激作用。當(dāng)出現(xiàn)氨氣泄漏時用濕草席等蓋在泄漏處或漏出來的氨液上，然后從遠處用水管沖洗。氣體大量噴出時，在遠處用噴射霧狀水吸收之。液體附著物要用大量水沖洗或用含鹽酸的水中和。第八十三頁，共九十頁。PECVD工藝影響PECVD