pecvd法制備氮化硅薄膜的影響因素研究

pecvd法制備氮化硅薄膜的影響因素研究

0太陽電池薄膜太陽電池減反射硬化技術在太陽電池的發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用。低溫等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)制備的氮化硅薄膜已在硅基太陽電池中廣泛應用。氮化硅之所以被廣泛應用是因為它具有獨特的無可比擬的優(yōu)點:(1)介電常數高,其值為8F·m-1,而二氧化硅或二氧化鈦的均為3.9F·m-1;(2)堿離子(如Na+)的阻擋能力強,并具有捕獲Na+的作用;(3)氮化硅質硬耐磨,疏水性好,針孔密度低,氣體和水汽極難穿透;(4)減反射效果好,氮化硅薄膜的折射率接近2.0,比二氧化硅(n=1.46)更接近太陽電池所需的最佳折射率2.35,是所有已應用的介質膜中最符合太陽電池減反射層要求的材料;(5)PECVD法制備的薄膜同時為太陽電池提供較為理想的表面和體鈍化。二氧化硅只有表面鈍化作用,而氮化硅薄膜有相當好的表面和體鈍化作用,可使硅表面復合速度SRV降至10cm·s-1,改善電池性能,可有效地提高電池效率。在PECVD工藝中,反應動力來自被高頻電場加速的電子和離子,它們與反應氣體分子碰撞,電離或激活成活性基團,因而可以在遠低于熱反應的溫度下沉積薄膜。在PECVD工藝中,沉積參數會影響薄膜的表面形貌和減反射性能。本文通過PECVD方法在化學蝕刻后的單晶硅片上采用不同的沉積參數制備了氮化硅薄膜,對氮化硅的表面形貌和減反射性能進行分析研究,以得到減反射性能優(yōu)良的氮化硅薄膜。1試驗原理和方法1.1在低溫條件下制備PECVD法制備氮化硅薄膜是利用非平衡等離子體的一個重要特性,即等離子體中的分子、原子、離子或激活基團與周圍環(huán)境相同,而其非平衡電子則由于電子質量很小,其平均溫度可以比其他粒子高1~2個數量級,因此在通常條件下,引入的等離子體使得沉積反應腔體中的反應氣體被活化,并吸附在襯底表面進行化學反應,從而能在低溫下制備出新的介質薄膜。如通常需要800℃以上才能制備的氮化硅薄膜,用PECVD法只需250~300℃就能制備,而沉積反應中的副產物則被解吸出來并隨主氣流由真空泵抽出反應腔體。這是目前唯一能在低溫條件下制備氮化硅的CVD工藝。由以下3種反應能制備出氮化硅薄膜:3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2(1)3SiHCl4+4NH3→Si3N4+12HCl(2)3SiH2Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2(3)3SiΗ4+4ΝΗ3→Si3Ν4+12Η2(1)3SiΗCl4+4ΝΗ3→Si3Ν4+12ΗCl(2)3SiΗ2Cl2+4ΝΗ3→Si3Ν4+6ΗCl+6Η2(3)1.2試驗系統(tǒng)的基礎采用中國電子科技集團第四十八研究所PECVD設備來制備氮化硅薄膜,高頻信號發(fā)生的頻率是13.56MHz。所用氣體為高純氨和高純氮氣、高純硅烷,實驗時氣體直接通入爐內,主要反應氣體是高純氨和高純硅烷,氮氣主要用來調節(jié)系統(tǒng)的真空度和稀釋尾氣中的硅烷。試驗基礎工藝參數為SiH4流量90cm3/min,NH3流量4cm3/min,N2流量700cm3/min,時間15min,溫度300℃,射頻功率30W,腔體氣壓67~200Pa。采用橢圓偏振儀測量氮化硅薄膜的折射率,采用日本電子7001F型場發(fā)射掃描電鏡對氮化硅薄膜的表面形貌和成分進行分析。2結果與討論2.1薄膜性能測試在PECVD制備氮化硅的工藝中,腔體氣壓、射頻功率、溫度、NH3流量是重要的工藝參數,對薄膜表觀質量有顯著的影響。對于在太陽電池上應用的氮化硅薄膜,折射率是薄膜成分以及致密程度的綜合指標,是檢驗薄膜制備質量的重要參數。表1~4分別表示不同腔體氣壓、射頻功率、溫度、NH3流量對折射率的影響。由以下4個表所列出的折射率與工藝參數的數據來看,NH3流量是影響折射率變化的最主要的因素,折射率變化幅度最高。其他因素如腔體氣壓、射頻功率等也對折射率略有影響。由于折射率主要反應薄膜材料的成分與結構,不同的NH3流量則改變了在制備過程中反應腔體內的氮硅比,制備的薄膜的成分比也因此改變,薄膜的折射率隨之發(fā)生變化,在本試驗中NH3流量約為4cm3·min-1時效果較好。而其他工藝參數對于薄膜的成分影響不顯著,所以對折射率的影響相對較小。2.2單晶硅薄膜的生長不同沉積工藝條件對氮化硅的表面形貌和成分的影響很大,其中襯底溫度的影響更為明顯。如圖1、2、3所示為在不同沉積溫度下形成氮化硅薄膜表面的SEM形貌。如圖1所示,在200℃時,掃描形貌呈現為單晶硅化學蝕刻后的形貌,EDS分析可知N的原子分數為23.24%。這說明在200℃時在化學蝕刻后的單晶硅表面上形成了一層薄薄的氮化硅膜,未形成氮化硅顆?；蛲蛊稹Ｔ?00℃時的SEM形貌如圖2所示,在高倍下可看到少量的白色氮化硅顆粒,此時氮的原子分數達到了28.43%。進一步增加襯底的溫度,在400℃時,如圖3所示,可以看到在單晶硅表面上形成了白色團狀或島狀的氮化硅膜,此時N的原子分數為31.02%。采用PECVD方法生長氮化硅薄膜的過程中,受等離子體活化的反應氣體在襯底表面有沉積和揮發(fā)兩種機制作用,并且這兩種機制都是隨著溫度的升高而加劇的,然而在由低溫向高溫轉變時揮發(fā)機制的影響相比沉積機制更顯著,因此導致了最終沉積到表面的速率下降,沉積速率的下降導致在襯底表面的顆粒有足夠的運動時間,從而形成了島狀和團狀的形貌,破壞了薄膜的表面平整度,給在薄膜表面進一步的微加工帶來了不利影響。因此,必須采用合適的沉積溫度,降低表面缺陷,形成致密度高且平整的氮化硅薄膜。3薄膜性能的影響通過對不同沉積工藝參數下制備的氮化硅的折射率和不同襯底溫度下氮化硅薄膜形貌和成分分析,得到以下結論:(1)不同的NH3流量可改變在制備過程中反應腔體內的氮硅比,制備的薄膜的成分比也因此改變,薄膜的折射率隨之發(fā)生變化,而其他參數變化對折射率的影響不是太明顯;(2)襯底溫度對