PESiO和SiN雙層膜簡介課件

PESiO和SiN雙層膜簡介PESiO和SiN雙層膜簡介一、鈍化原理

硅材料中含有大量的雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)致硅中少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長度降低。為了提高硅太陽電池的效率，必須對硅材料中具有電活性的雜質(zhì)和缺陷進(jìn)行鈍化。

SiN：由于SiN膜具有很高的正電荷密度，場效應(yīng)鈍化效果較好，內(nèi)含豐富的H原子。但其沉積在硅片表面后，界面缺陷密度較高。

SiO2：

SiO2膜折射率較低，場效應(yīng)鈍化效果不如SiN，但是生長完SiO2硅片表面缺陷密度較低。

因此采用/SiN疊層膜結(jié)構(gòu)可以有效綜合兩種膜的優(yōu)點(diǎn)得到較好的鈍化效果。一、鈍化原理1、材料特性：SiN：密度：3.44；熔點(diǎn)：1900℃；介電常數(shù)為8F?m-1；

SiO2：密度：2.2～2.6；熔點(diǎn)：1700

℃；介電常數(shù)為3.9F?m-1；

TiO2：密度：3.9；熔點(diǎn)：1850℃；介電常數(shù)為3.9F?m-1；

Si：密度：2.4；熔點(diǎn)：1420℃；

折射率和熱膨脹系數(shù)：

Si：n=3.42；熱膨脹系數(shù)：3ppm/K；

SiN：n=2.0；熱膨脹系數(shù)：2.3ppm/K；

SiO2：n=1.46；熱膨脹系數(shù)：0.5ppm/K；TiO2：n=2.41、材料特性：2、應(yīng)力：

材料單位截面積上受到的力稱為應(yīng)力。根據(jù)對材料作用的不同，應(yīng)力表現(xiàn)為兩種可能的形式：張應(yīng)力和壓應(yīng)力。對材料有拉伸作用的應(yīng)力為張應(yīng)力，對材料有壓縮作用的應(yīng)力為壓應(yīng)力。

薄膜材料的應(yīng)力有兩部分組成，一是薄膜材料與襯底熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力；二是薄膜材料與襯底結(jié)構(gòu)不匹配而產(chǎn)生的本征應(yīng)力。

（1）

熱氧化SiO2：

熱氧化SiO2膜的應(yīng)力為壓應(yīng)力，值約為3*108Pa。2、應(yīng)力：從圖上可以看出，應(yīng)力隨著溫度升高增大；在膜厚3000—6000nm時(shí)，應(yīng)力無明顯變化。從圖上可以看出，應(yīng)力隨著溫度升高增大；在膜厚（2）PECVDSiO2（2）PECVDSiO2PECVDSiO2的應(yīng)力為壓應(yīng)力，值約為1～3﹡108Pa。從上圖可以看出：應(yīng)力隨襯底溫度的提高而降低；

應(yīng)力隨折射率的增大而增大；

當(dāng)厚度較小時(shí)，應(yīng)力隨膜厚的增大而減?。划?dāng)膜厚較大時(shí)，應(yīng)力不隨膜厚變化；PECVDSiO2的應(yīng)力為壓應(yīng)力，值約為1（3）PECVDSiN（3）PECVDSiNPECVDSiN的應(yīng)力為壓應(yīng)力，值約為1～4*109Pa。隨淀積溫度的提高，應(yīng)力先升后降。在350℃附近形成一個(gè)峰值。這是由于薄膜淀積過程中缺陷的引入及激活這一對相反的過程在各個(gè)溫度下共同作用的結(jié)果。PECVDSiN的應(yīng)力為壓應(yīng)力，值約為1～4*1應(yīng)力與氣體流比得關(guān)系：在不富硅的氮化硅中，應(yīng)力隨硅烷流量增大而增大，而當(dāng)富硅嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)力則隨富硅程度的增大而減小。在前一種情況下，薄膜中富裕的硅起缺陷作用；在后一種情況下，多余的硅形成局部非晶硅結(jié)構(gòu)。

應(yīng)力與膜厚：應(yīng)力基本上不隨膜厚變化，只有在厚度超過200nm之后略有上升的趨勢。

應(yīng)力與退火處理：SiN膜在N2氛圍中進(jìn)行退火處理，應(yīng)力有下降趨勢。高溫退火應(yīng)力下降明顯，主要是因?yàn)橥嘶饻p少了膜中的缺陷。應(yīng)力與氣體流比得關(guān)系：在不富硅的氮化硅中，應(yīng)3、折射率計(jì)算：如果在硅表面制備一層透明的介質(zhì)膜，由于介質(zhì)膜的兩個(gè)界面上的反射光互相干涉，可以在很寬波長范圍內(nèi)降低反射率。此時(shí)反射率由下式給出：式中，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)；△為膜層厚度引起的相位角。3、折射率計(jì)算：

其中，n0，n和nsi分別為外界介質(zhì)、膜層和硅的折射率；

0是入射光的波長；d是膜層的實(shí)際厚度；n?d為膜層的光學(xué)厚度。其中，n0，n和nsi分別為外界介質(zhì)、膜層和硅的折射

當(dāng)波長為

0的光垂直入射，。如果膜層光學(xué)厚度為

0的四分之一，即n?d=

0/4，可得：為了使反射損失減到最小，即希望上式等于0，就應(yīng)有：

對于太陽光譜，取

0＝0.6微米，如果電池直接暴露在真空或大氣中使用，最匹配的減反射膜折射率為n≈1.97。當(dāng)波長為0的光垂直入射，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高電池的使用壽命和抗?jié)衲芰?，大多采用硅橡膠封裝。所以，對于減反射膜來說，外界介質(zhì)是硅橡膠，其折射率約為1.4，在這種情況下，最匹配的減反射膜折射率應(yīng)為:在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高電池的使用壽命和抗?jié)衲?、SiN的優(yōu)點(diǎn)：（1）場效應(yīng)鈍化效果好左圖為SiN/Si界面圖。圖中SiN的固定正電荷主要來自反應(yīng)過程中生成的懸掛鍵。如N3ΞSi?，Si3ΞSi?，Si2NΞSi?等。SiN膜中的固定正電荷可與硅片內(nèi)的載流子相互作用形成場效應(yīng)鈍化。（固定正電荷排斥空穴，從而在界面處形成內(nèi)建電場，最終將電子和空穴分離）4、SiN的優(yōu)點(diǎn)：（1）場效應(yīng)鈍化效果好左圖（2）、H原子鈍化

SiN膜含有大量H原子，可在燒結(jié)過程中釋放至硅片內(nèi)飽和懸掛鍵，從而降低表面復(fù)合速率，提高載流子壽命。

在PECVD過程中，表面在一段時(shí)間內(nèi)處于富氫的氣氛中，使表面成為富氫體。在隨后的SiN或SiO2沉積過程中，幾乎沒有H能到達(dá)Si界面。沉積SiN或SiO2過程中會(huì)產(chǎn)生空位，那么硅表面大量的H在替位擴(kuò)散，迅速的向硅體內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到體鈍化的效果。（2）、H原子鈍化5、SiO2的優(yōu)點(diǎn)：SiO2/Si界面的界面缺陷密度較低SiO2在硅片表面的生長模型如上圖所示，氧氣在硅片表面反應(yīng)生成SiO2。由于在硅片表面處晶格不連續(xù)通過在硅片表面熱生長一層SiO2，可以有效飽和硅片表面的Si3ΞSi?鍵，從而降低硅片表面的表面缺陷密度。5、SiO2的優(yōu)點(diǎn)：SiO2/Si界面的界面缺陷密度較低二、工藝方法

1、在擴(kuò)散爐中用濕氧在900度左右高溫下熱生長厚度為20nm的SiO2膜。經(jīng)過去磷硅玻璃后，在SiO2膜表面再PECVD沉積SiN（65nm）。

該方法溫度較高，使多晶硅產(chǎn)生新的缺陷，導(dǎo)致硅片少子壽命降低。

（1）干氧氧化干氧以外加少量(1%-3%)鹵素，主要是氯。由于起始氧化層阻止氧化分子與硅表面的直接接觸，氧分子只有擴(kuò)散通過SiO2層到達(dá)Si界面，才能和Si原子反應(yīng)，生成新的SiO2層，是膜厚繼續(xù)增厚。

高溫二、工藝方法高溫干氧氧化生長的SiO2層厚度d在溫度高于1000℃以上，由下式?jīng)Q定：式中為比例系數(shù)，t為氧化時(shí)間。干氧氧化生長的SiO2層厚度d在溫度高于100氯的作用：

①Cl2與重金屬原子反應(yīng)生成揮發(fā)性氯化物，具有清潔作用。②O2、Cl2混合氣中的氧化速率比純氧中高，O2中含3%HCl，線性速率大一倍。其一：摻氯氧化時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物有H2O，加速氧化；其二：氯積累在Si-SiO2界面附近，氯與硅反應(yīng)生成氯硅化物，氯硅化物穩(wěn)定性差，在有氧的情況下易轉(zhuǎn)變成SiO2，因此，氯起了氧與硅反應(yīng)的催化劑的作用。常用氯源有：HCl,TCE（三氯乙烯）,TCA（三氯乙烷）,DCE（二氯乙烯）等。氯的作用：（2）濕氧氧化

氧氣通過裝有高純?nèi)ルx子水的氧化瓶，因此，進(jìn)入石英管的氧氣帶有水汽。由于參與氧化的物質(zhì)是水和養(yǎng)的混合物，所以氧化速率比干氧氧化要快得多。高溫高溫（2）濕氧氧化高溫高溫?fù)搅坠铦裱跹趸瘬搅坠铦裱跹趸?）通過PECVD在400℃左右淀積SiO2膜。使用高純度SiH4和N2O反應(yīng)生產(chǎn)。此方法避免