一文详解PECVD

摩尔光伏2019-06-28

图片
图片
图片

关于PECVD文章的综合,仅供参考。

1.PECVD基本原理与故障分析

2.管式PECVD 钝化效果并不理想?不妨这样试试

3.板式PECVD镀膜均匀性及颜色优化研究

图片

摘要:薄膜制备工艺在超大规模集成电路技术中有着非常广泛的应用,按照其成膜方法可分为两大类:物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。等离子增强型化学气相淀积(PECVD)是化学气相淀积的一种,其淀积温度低是它最突出的优点。PECVD淀积的薄膜具有优良的电学性能、良好的衬底附着性以及极佳的台阶覆盖性,正由于这些优点使其在超大规模集成电路、光电器件、MEMS等领域具有广泛的应用。本文简要介绍了PECVD工艺的种类、设备结构及其工艺原理,根据多年对设备维护的经验,介绍了等离子增强型化学气相淀积(PECVD)设备的基本结构,总结了这类设备的常见故障及解决措施。
1PECVD的种类

  1.1射频增强等离子体化学气相淀积(RF-PECVD)

  等离子体化学气相淀积是在低压化学气相淀积的同时,利用辉光放电等离子对过程施加影响,在衬底上制备出多晶薄膜。这种方法是日本科尼卡公司在1994年提出的,其等离子体的产生方法多采用射频法,故称为RF-PECVD。其射频电场采用两种不同的耦合方式,即电感耦合和电容耦合[1]。

  1.2甚高频等离子体化学气相淀积(VHF-PECVD)

  采用RF-PECVD技术制备薄膜时,为了实现低温淀积,必须使用稀释的硅烷作为反应气体,因此淀积速度有限。VHF-PECVD技术由于VHF激发的等离子体比常规的射频产生的等离子体电子温度更低、密度更大[2],因而能够大幅度提高薄膜的淀积速率,在实际应用中获得了更广泛的应用。

  1.3介质层阻挡放电增强化学气相淀积(DBD-PECVD)

  DBD-PECVD是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电(又称介质阻挡电晕放电或无声放电)。这种放电方式兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行特点,正逐渐用于制备硅薄膜中[3]。

  1.4微波电子回旋共振等离子体增强化学气相淀积(MWECR-PECVD)

  MWECR-PECVD是利用电子在微波和磁场中的回旋共振效应,在真空条件下形成高活性和高密度的等离子体进行气相化学反应。在低温下形成优质薄膜的技术。这种方法的等离子体是由电磁波激发而产生,其常用频率为2450MHz,通过改变电磁波光子能量可直接改变使气体分解成粒子的能量和生存寿命,从而对薄膜的生成和膜表面的处理机制产生重大影响,并从根本上决定生成膜的结构、特性和稳定性[4]。2PECVD设备的基本结构

  2.1PECVD工艺的基本原理

  PECVD技术是在低气压下,利用低温等离子体在工艺腔体的阴极上(即样品放置的托盘)产生辉光放电,利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度,然后通入适量的工艺气体,这些气体经一系列化学反应和等离子体反应,最终在样品表面形成固态薄膜。其工艺原理示意图如图1所示。

图片[5]-一文详解PECVD - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)
  在反应过程中,反应气体从进气口进入炉腔,逐渐扩散至样品表面,在射频源激发的电场作用下,反应气体分解成电子、离子和活性基团等。这些分解物发生化学反应,生成形成膜的初始成分和副反应物,这些生成物以化学键的形式吸附到样品表面,生成固态膜的晶核,晶核逐渐生长成岛状物,岛状物继续生长成连续的薄膜。在薄膜生长过程中,各种副产物从膜的表面逐渐脱离,在真空泵的作用下从出口排出。

  2.2PECVD设备的基本结构

  PECVD设备主要由真空和压力控制系统、淀积系统、气体及流量控制、系统安全保护系统、计算机控制等部分组成。其设备结构框图如图2所示。

图片

  2.2.1真空和压力控制系统

  真空和压力控制系统包括机械泵、分子泵、粗抽阀、前级阀、闸板阀、真空计等。为了减少氮气、氧气以及水蒸气对淀积工艺的影响,真空系统一般采用干泵和分子泵进行抽气,干泵用于抽低真空,与常用的机械油泵相比,可以避免油泵中的油气进入真空室污染基片。在干泵抽到一定压力以下后,打开闸板阀,用分子泵抽高真空。分子泵的特点是抽本体真空能力强,尤其是除水蒸汽的能力非常强。

  2.2.2淀积系统

  淀积系统由射频电源、水冷系统、基片加热装置等组成。它是PECVD的核心部分。射频电源的作用是使反应气体离子化。水冷系统主要为PECVD系统的机械泵、罗茨泵、干泵、分子泵等提供冷却,当水温超过泵体要求的温度时,它会发出报警信号。冷却水的管路采用塑料管等绝缘材料,不可用金属管。基片加热装置的作用使样品升温到工艺要求温度,除掉样品上的水蒸气等杂质,以提高薄膜与样品的附着力。

  2.2.3气体及流量控制系统

  PECVD系统的气源几乎都是由气体钢瓶供气,这些钢瓶被放置在有许多安全保护装置的气柜中,通过气柜上的控制面板、管道输送到PECVD的工艺腔体中。

  在淀积时,反应气体的多少会影响淀积的速率及其均匀性等,因此需要严格控制气体流量,通常采用质量流量计来实现精确控制。3常见问题及影响工艺主要因素

  3.1设备常见问题及处理措施

  3.1.1无法起辉

  无法起辉原因和处理措施:

  (1)射频电源故障,检查射频源电源功率输出是否正常。

  (2)反应气体进气量小,检查气体流量计是否正常,若正常,则加大进气量进行试验。

  (3)腔体极板清洁度不够,用万用表测量腔体上下极板的对地电阻,正常值应在数十兆欧以上,若异常,则清洁腔体极板。

  (4)射频匹配电路故障,检查射频源反射功率是否在正常值范围内,若异常,则检查匹配电路中的电容和电感是否损坏。

  (5)真空度太差,检查腔体真空度是否正常。

  3.1.2辉光不稳

  (1)电源电流不稳,测量电源供电是否稳定。

  (2)真空室压力不稳定,检查腔体真空系统漏率是否正常,检查腔体进气量是否正常。

  (3)电缆故障,检查电缆接触是否良好。

  3.1.3成膜质量差

  (1)样片表面清洁度差,检查样品表面是否清洁。

  (2)工艺腔体清洁度差,清洗工艺腔体。

  (3)样品温度异常,检查温控系统是否正常,校准测温热电偶。

  (4)膜淀积过程中压力异常,检查腔体真空系统漏率。

  (5)射频功率设置不合理,检查射频电源,调整设置功率。

  3.1.4淀积速率低

  (1)射频输入功率不合适,调整射频功率。

  (2)样品温度异常,检查冷却水流量及温度是否正常。

  (3)真空腔体压力低,调整工艺气体流量。

  3.1.5反应腔体压力不稳定

  (1)检查设备真空系统的波纹管是否有裂纹。

  (2)检查气体流量计是否正常。

  (3)手动检查蝶阀开关是否正常。

  (4)真空泵异常,用真空计测量真空泵的抽速是否正常。

  3.2影响工艺的因素

  影响PECVD工艺质量的因素主要有以下几个方面:

  3.2.1极板间距和反应室尺寸

  PECVD腔体极板间距的选择要考虑两个因素:

  (1)起辉电压:间距的选择应使起辉电压尽量低,以降低等离子电位,减少对衬底的损伤。

  (2)极板间距和腔体气压:极板间距较大时,对衬底的损伤较小,但间距不宜过大,否则会加重电场的边缘效应,影响淀积的均匀性。反应腔体的尺寸可以增加生产率,但是也会对厚度的均匀性产生影响。

  3.2.2射频电源的工作频率

  射频PECVD通常采用50kHz~13.56MHz频段射频电源,频率高,等离子体中离子的轰击作用强,淀积的薄膜更加致密,但对衬底的损伤也比较大。高频淀积的薄膜,其均匀性明显好于低频,这时因为当射频电源频率较低时,靠近极板边缘的电场较弱,其淀积速度会低于极板中心区域,而频率高时则边缘和中心区域的差别会变小。

  3.2.3射频功率

  射频的功率越大离子的轰击能量就越大,有利于淀积膜质量的改善。因为功率的增加会增强气体中自由基的浓度,使淀积速率随功率直线上升,当功率增加到一定程度,反应气体完全电离,自由基达到饱和,淀积速率则趋于稳定。

  3.2.4气压

  形成等离子体时,气体压力过大,单位内的反应气体增加,因此速率增大,但同时气压过高,平均自由程减少,不利于淀积膜对台阶的覆盖。气压太低会影响薄膜的淀积机理,导致薄膜的致密度下降,容易形成针状态缺陷;气压过高时,等离子体的聚合反应明显增强,导致生长网络规则度下降,缺陷也会增加。

  3.2.5衬底温度

  衬底温度对薄膜质量的影响主要在于局域态密度、电子迁移率以及膜的光学性能,衬底温度的提高有利于薄膜表面悬挂键的补偿,使薄膜的缺陷密度下降。

  衬底温度对淀积速率的影响小,但对薄膜的质量影响很大。温度越高,淀积膜的致密性越大,高温增强了表面反应,改善了膜的成分。4结束语

  以上是对PECVD设备遇到问题的一些体会,PECVD工艺是一门复杂的工艺,要保证淀积薄膜的质量,除了要保证设备的稳定性外,还必须掌握和精通其工艺原理及影响薄膜质量的各种因素,以便在出现故障时,能迅速分析出导致故障的原因。另外,对设备的日常维护和保养也非常重要。

  参考文献:

  [1]陈建国,程宇航,吴一平,等.射频-直流等离子体增强化学气相淀积设备的研制[J].真空与低温,1998,4(1):30-34.

  [2]H.Nakaya,M.Nishida,YTakeda,etal.PolycrystallineSiliconSolarCells[Z].1192,345-356.

  [3]陈萌炯.RF-PECVD和DBD-PECVD制备a-Si:H薄膜的性能研究及其比较[D].浙江:浙江大学,2006.

  [4]刘国汉,丁毅,朱秀红,等.HW-MWECR-CVD法制备氢化微晶硅薄膜及其微结构研究[J].物理学报,2002,55(11):6147-6150.

曹健

中国电子科技集团公司第十三研究所

电子工业专用设备

图片
图片

  摘要:研究了在真空与氮气两种环境中不同的退火温度和退火时间对氮化膜薄膜性能影响,测试了退火后氮化硅薄膜的膜厚、折射率、少子寿命以及电性能参数。结果表明,多晶硅管式PECVD真空退火环境优于氮气,并确定当退火温度在450℃、退火时间20min时,工艺参数最佳。当温度过高过低均不利于膜厚的增加也不利于形成良好的欧姆接触,且此时光电转换效率较差。折射率的变化却不同,其最大值是在低温下达到的,此时氮气环境更有利于高折射率的获得。此外,还就膜厚和折射率随温度、环境变化的情况进行了详细的讨论。
         1引言

  氮化硅薄膜制备在太阳能电池生产中起着减少硅片表面的反射、进而增加光的利用率的作用,是晶体硅太阳能电池的重要步骤之一。其关键在于该薄膜不仅减少硅表面反射,还钝化硅材料中大量的杂质和缺陷,并通过改变禁带中能带为价带或导带以提高硅片中的载流子迁移率,延长少子寿命调高光电转化效率的目的[1-3]。因此如何更好的增强镀减反射膜的钝化效果,对于电池片效率的提升有着重要的意义。目前在太阳能光伏领域常用的钝化方法有:氢气氛退火、微波诱导远距等离子氢钝化、等离子增强化学气相沉积即PECVD法三种[4]。通常PECVD法的钝化效果并不理想,因此如何进一步提高氢的钝化效果,以达到提高少子寿命和短路电流从而最终达到提高效率的目的就显得尤为重要。故本文针对PECVD不同温度下真空和氮气两种环境中的退火对电池片的影响进行了研究。2实验

  本实验需在PECVD工艺配方中的沉积步骤后增加一个退火步骤,即对已完成沉积步骤的硅片保持真空度均为1700mtoor,其退火温度分别为350℃,400℃,450℃,500℃温度的条件下、真空和氮气两种不同环境中、不同退火时间内在PECVD管内完成退火工艺。测试其退火热处理前后载流子少子寿命,并观察其对丝网印刷效率等工艺参数的影响。

  2.1实验原料及仪器

  实验所选硅片导电类型为P型多晶硅片,电阻率为1~3Ω·cm,厚度为(200±20)μm,硅片尺寸为156mm×156mm。氮化硅薄膜制备设备采用德国Centrotherm公司生产的管式低频PECVD设备,利用SE400advPV型椭偏仪测试薄膜的厚度和折射率,利用WT2000设备扫描测试少子寿命,并在多晶电池产线上完成整个太阳能工艺步骤。

  2.2实验过程

  本实验在真空和氮气氛围下进行,实验使用五组无差别生产片完成。其中一组为对照组即不退火,其余四组为在氮气和真空两种环境下进行的退火时间分别为10min及20min的退火实验,每组各200片。退火使用的硅片经过正常的清洗制绒,扩散制结,湿法切边,然后在PECVD炉内采用高折射率工艺完成退火。下面分别就膜厚、折射率,少子寿命,电学参数四个不同方面随退火温度和工艺退火时间的影响而发生的变化的过程进行研究。3结果与讨论

3.1膜厚、折射率

图片

  图1给出了真空环境中不同的退火温度对膜厚折射率的影响关系图。从图中可看到当退火时间为10min时,随着退火温度的增加,膜厚呈先升高后下降的趋势。原因是当温度较低时,氮化硅薄膜随着温度的升高其生长速率大于沉积速率,故膜生长的较快,并且膜厚在450℃时达到极大值。但温度再升高时,由于沉积速率赶不上氮化硅膜生长速率,且反应粒子活化率较高,薄膜生长不均匀、薄膜结构致密,故膜厚会下降,这同文献[5]研究结果相同,但折射率在图1和图2中均表现出先升高趋势。根据文献[6]可知,温度越高,粒子的迁移率就越大,薄膜就越致密,因此折射率先会呈现一段上升趋势。但若温度持续升高,会导致内部损伤增大、针孔增多,钝化作用变差,薄膜易发生龟裂,折射率故而下降。如图3少子寿命也能说明这一点。这表明膜厚从退火时间上看退火时间和膜厚呈负相关;尽管折射率在两种不同的退火时间均随退火温度的升高均呈现先增大后减小趋势,但氮气退火折射率在400℃达到极大值,比真空的折射率提前50℃到达。说明氮气退火时的折射率的膜结构改变要早于真空环境的退火状态。可能是在氮气气氛下,N2更多的进入薄膜,高温退火后Si-N和N-H键被破坏,H逸出薄膜表面造成体内缺陷增多,产生不饱合键,故氮气环境下的膜厚也在下降。

图片

  3.2少子寿命

  尽管五组片子是取自晶向一致的同一批片子,但初始的少子寿命并不相同,而我们关心的是镀膜前后少子寿命的变化。因此,这里采用少子寿命的增量来研究不同环境下的少数载流子的变化情况。从图3可看出,不论是真空退火还是氮气氛围退火,少子寿命都会随着温度的升高而增加,但达到一个极大值后,又会下降的一个过程。这主要是因为当低温退火时,有利于离子态的H向硅基表面和体内扩散,钝化硅中的悬挂键,这样使H的活性下降,使得光子在被复合前被收集,因此少子寿命会上升(如图3所示)。而两种环境退火时间越长,少子寿命上升斜率越大,这和文献[6]研究结果相似,这也正是开路电压和短路电流同时升高的原因如表2。同时还发现真空中的退火环境要比氮气氛围少子寿命偏高一些。原因是相比氮气环境,真空环境密度低,离子自由度下降,反应活性差,钝化性能较好,氮气环境对SixHy表面会有不同程度的损伤所致。当温度上升到450℃,少子寿命较不退火时达到一个极大值,之后随着温度的继续升高,少子寿命此时却表现为下降的一个过程。这说明可能是高温处理后,硅态中的H已经过一个饱和值从而逸出表面,使得钝化作用削弱,光子被大量复合,表面复合速率上升[7]。同时此时的开路电压和短路电流也均表现为下降趋势如表1所示。

图片  3.3电学参数

  从表2可以看出,不同的环境条件下,随着温度升高效率会有如下变化过程:当温度达到450℃时效率达到最大值,这说明高温烧结使得硅表面缺陷减少,禁带内的复合中心也减少,钝化效果增强故少子寿命升高[8]。

图片

  同时可看到此时的开路电压和短路电流也达到最大,说明电池内部载流子的迁移率和导电力较强产生较好的电性能,即硅表面形成良好的欧姆接触,此时的光电转换效率也最强;之后随着温度的升高,效率反而呈下降趋势,开路电压和短路电流总体也随之下降。这说明过高的温度不利于少子寿命的增加,因为过高的温度使得硅体内氢和杂质的键断裂,氢逸散出硅表面,使得表面的晶格缺陷增加,复合中心变多,少子寿命也会下降,氢钝化作用削弱、晶格差异变大、晶格失配加大等缺点,促使欧姆接触性能退化,开路电压和短路电流也会下降,最终电池的电学性能光电转换效率也显著降低。从表2可看出相同的退火环条件时真空环境下的电性能优于氮气,这是由于纯氮气环境下不利于欧姆接触,而真空环境下具备的密度低、反应活性差、钝化性能较好、晶格匹配性良好等优点更利于形成良好的欧姆接触;同时可以看出长的退火时间可以产生较好的电性能参数,因为在相对长的时间里更有利于氢钝化晶界的位错悬挂键等缺陷,减少晶格失配。4结论

  (1)氮化硅的膜厚在真空退火10min、温度在450℃前有一个短暂的上升趋势,其余条件下均随温度升高而下降的结果表明:真空环境中没有氮气参与Si-N和N-H键未被破坏存在,但延长退火时间或在氮气氛围下不利于膜厚的增加。

  (2)氮化硅折射率在不同的退火环境和温度下,都呈现一个向下的抛物线形态,且其折射率的抛物线顶点即温度的极大值要早于真空表明:氮气环境中钝化作用削弱,低温下可获得较高的折射率,高温时折射率则偏小。

  (3)氮化硅的少子寿命实验表明:两种环境不同时间内低温氢的钝化效果优于高温,真空环境退火要优于氮气环境。同时发现450℃是管式PECVD退火的极值,这表明若要提高退火对氮化硅电学性能的影响,退火温度不要偏离450℃,退火时间20min为佳。

郭丽1,武纹平2,陈丽1

1.山西潞安太阳能科技有限责任公司,2.山西潞安煤基清洁能源有限责任公司

来源:人工晶体学报

管式PECVD 氮化硅薄膜不同退火环境的工艺研究

图片

  摘要:本文研究了晶硅太阳能电池板式PECVD镀膜设备的镀膜均匀性造成的颜色差异对组件外观以及工艺的影响。以梅耶博格的SINAI设备为例,讨论了产生颜色差异的原因,以及解决颜色差异并进行颜色优化及镀膜均匀性优化的方案,通过本方案对板式PECVD镀膜进行单片有针对性的调整,来缩小各片间颜色的差异,从而对镀膜均匀性和颜色进行优化。

1研究背景与内容

  随着市场需求的发展,组件系统外观越来越被太阳能行业重视,组件外观主要受电池镀膜颜色的影响,晶硅电池生产工艺中,PECVD镀膜颜色至关重要。采用PECVD设备制备的氮化硅膜,具有非常好的抗氧化和绝缘性能,其化学性能也非常稳定,除氢氟酸能腐蚀外,不与其他酸发生化学反应。因此,PECVD镀膜在晶硅太阳能领域有非常广泛的应用。本文研究的主要内容为:通过对设备最后一组特气管路进行改造,实现单片镀膜膜厚折射率的调整,来优化镀膜均匀性和颜色。

2研究方案

  PECVD镀膜即等离子气象化学沉积,制备氮化硅薄膜的化学反应方程式为:SiH4+NH3→Si3N4+H2↑。氮化硅薄膜的基本制备方法是:在反应腔室通入适量的反应气体SiH4和NH3,在低温和微波电离环境下经一系列化学反应和等离子体反应,在硅片表面形成氮化硅薄膜。

  2.1实验设备选型及改进方案

  实验设备采用梅耶博格的SINAI板式镀膜设备,实验硅片为P型多晶硅片,尺寸为156mm×156mm、厚度200um。选取经同一制绒、磷扩散、湿法刻蚀工艺处理的片子400片,均分成2组,分别为A、B组,其中A组为参照组。A组在正常SINAI设备进行镀膜,B组使用改进特气管路的SINAI设备。改进特气管路将最后一根整体的管路改为7段小管路,其中中间5段和石墨载板上的硅片位置对应,用于调整各片间膜厚折射率的差异,进而优化镀膜颜色,两端各1段用于补偿石墨载板对镀膜红边的影响,两侧小管路初始状态为关闭。

  2.2实验参数的设定

  影响镀膜的因素有工艺压强、微波功率、脉冲开关比、工艺温度、气体流量配比、带速。基于各因素对氮化硅镀膜的影响,两组实验各工艺参数设定如表1。

图片

3研究结果与讨论

  镀膜后的硅片用同一椭偏仪测试膜厚和折射率,测试片均取同一石墨舟一排的5片,每片测试5点也均为同一位置,5个测试点为中心点和四个角部的四点。

  3.1实验参数调整及结果

  两组实验采用微波时间60小时进行,A组直接投入,B组实验投入前使用初始气流量值进行镀膜调试,两侧有红边,且中间一片膜厚偏厚,故对最后一组特气流量进行调整,如表2所示。镀膜质控点要求范围膜厚80+-2nm、折射率2.10+-0.02,两组实验镀膜测试数据如表3。

表2

图片
图片

  将两组实验镀膜后硅片在同一设备进行丝网印刷和效率测试,电池参数如表4所示。

图片

  3.2研究结果讨论

  由表3可以看出实验组B组膜厚均匀性0.373明显优于参照组A组1.395,折射率均匀性也明显较好,均匀性为AVEDEV函数即衡量数据的离散程度,越小说明数据越好。各片膜厚平均值的最大值和最小值差A组为4.38nm、B组为0.74nm,各片折射率平均值的最大值和最小值差为A组为0.042、B组为0.0045。分布图如图1。由表4可看出,实验组效率18.6613%略高于参照组18.6586%。使用GPSolarCell-Q颜色分选机分别对两组实验进行颜色分选,用单片色度均值表示颜色深浅,汇总数据如图2。

图片

  A组色度数据较B组分散,且实验组B组色度数据标准差为3.98468,明显优于参照组A组7.39769,数据如表5,B组数据比较集中,颜色差异较小。

4结语

PECVD镀膜均匀性较差时,通过调整最后一组各管路流量来调整单片膜厚折射率,能缩小各片间差异,能够优化镀膜均与性,同时优化硅片镀膜颜色及成品电池颜色。

  参考文献

  [1]马丁·格林.太阳电池工作原理、工艺和系统的应用[M].北京:电子工业出版社,1989.

  [2]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

张晓朋,李翠双,刘海金,闫兰,赵培

光伏材料与技术国家重点实验室;英利能源(中国)有限公司

来源:第十七届中国光伏学术大会(CPVC17)推荐品牌

图片
© 版权声明
THE END
喜欢就支持一下吧
点赞0 分享
相关推荐
评论 抢沙发
头像
欢迎您留下宝贵的见解!
提交
头像

昵称

取消
昵称表情代码图片

    暂无评论内容