管式PECVD流量对太阳电池氮化硅膜影响的工艺研究

管式 PECVD 流量对太阳电池氮化硅膜影响的工艺研究 来源深圳市大族光伏科技股份有限公司 作者 李军阳 时间 2011-09-19 氮化硅膜作为晶体硅太阳能电池减反射钝化膜是目前太阳能电池制备的主流，然而由于用 PECVD 来制备的氮化硅膜，是以 SixNyHz 方式来表达的，其中的 x,y,z 的数值直接影响了膜的光学性能和对晶体硅太阳电池表面和体内的钝化作用，因为其数值 对于膜的折射率、消光系数、致密性都有直接的影响，本文的目的就是研究工艺气体流量对膜性能的影响。 摘要本文针对目前国内在太阳能电池行业使用管式 PECVD 沉积氮化硅减反射膜时为了实现均匀性而随 意调整工艺气体流量而做出实验性分析，避免在工艺过程中发现电池转换效率下降了而难以找到原因。通 过改变工艺气体的流量，对各项技术指标进行测量分析，结合国内外的一些文献，得出了工艺气体流量对 氮化硅膜的直接影响，同时也直接导致了电池转换效率的变化。通过这些研究为制备高性能电池减反射膜 提供实验基础，为我国的太阳能电池转换效率进一步提高提供一条途径。 0 引言 氮化硅膜作为晶体硅太阳能电池减反射钝化膜是目前太阳能电池制备的主流， 然而由于用 PECVD 来制备 的氮化硅膜，是以 SixNyHz 方式来表达的，其中的 x,y,z 的数值直接影响了膜的光学性能和对晶体硅太阳 电池表面和体内的钝化作用，因为其数值对于膜的折射率、消光系数、致密性都有直接的影响，本文的目 的就是研究工艺气体流量对膜性能的影响。以实验的数据来阐述。 1 机理分析 1.1 气体的输运 在 CVD 系统中，气体的流动处于黏滞流的状态。气体的输运过程对薄膜的沉积速度、薄膜厚度的均匀性、 反应物的利用效率等都有重要的影响。 气体在 CVD 系统中发生两种宏观流动，一是外部压力造成的压力梯度使气体从 压力高的地方向压力低的地 方流动，即气体的强制对流。二是气体温度的不均匀性引起的高温气体上升、低温气体下降的流动，即气 体的自然对流。 对一般尺寸的 CVD 反应容器（直径 430mm 内）来说，在流速不高（约 10cm/s）时，气体将处于黏滞流的 层流状态。 1.2PECVD 过程中的微观过程 1 气体分子与等离子体中的电子发生碰撞，产生出活性基团和离子。其中，形成离子的几率要低得多，因 为分子离化过程所需的能量较高。 2 活性基团可以直接扩散到衬底表面。 3 活性基团也可以与其他气体分子或活性基团发生相互作用，进而形成沉积所需的 化学基团。 4 沉积所需的化学基团扩散到衬底表面。 5 气体分子也可能没有经过活化过程而直接扩散到衬底附近。 6 气体分子被直接排出系统之外。 7 到达衬底表面的各种化学基团发生各种沉积反应并释放出反应产物。 假设一个极端的情况假设在衬底表面处，反应进行得很彻底，没有残余的反应物存在；假设在装置的上 界面 YB 处，物质的扩散项等于零；假设输入气体的初始浓度为 c0。可以得到如式（ 1） （ 1） 这一结果表明，沉积速率将沿着气体的流动方向呈指数形式的下降，如图 1 所示 ,其中 V1V4 为气体流速 , 且 V4V3V2V1， L 为流动方向的长度。可以理解，原因的产生是反应物随着距离的增加而逐渐贫化， 因此当流速太低时，尾部的气体浓度迅速减少而导致尾部的生长速度变慢；当提高流速时，尾部的气体浓 度没有明显降低而显著提高生长的一致性。 图 1 气体流量对沉积速率的影响 Figure 2. Effect of the total gas flow rate on the velocity of deposition 根据这现象，提高薄膜沉积均匀性的措施有提高气体流速和装置的尺寸 B；调整装置内温度分布，影响 扩散系数的分布。 2 实验方法 本文针对的是管式 PECVD 设备的流量实验，在石墨舟的前后依次沿轴线放置 7 片抛光片，通过测量膜厚 来鉴定膜的生长速度，通过不同的流量来分析流量对成膜性能的影响，对膜性能测试是在固定其它参数的 情况获得的。对于电性能的测定则通过稳定的太阳能电池生产 线来批量求得结果。反应室的结构、气体流 向示意如图 2 所示。 图 2 反应室的结构、气体流向 3 结论和探讨 通过实验可以看出，见表 1，随着工艺气体总流量的增加，膜的厚度呈上升趋势，也即成膜速度呈递增趋 势，但超过一定流量后又呈下降趋势。对这个变化的解释是，当流量的增加，等离子浓度也呈上升趋势， 但是当超过一定值后，由于等离子能量在呈下降趋势，导致继续等离子化难度增加，这样当流量继续增加 时，等离子的浓度反而会降低，成膜速度呈递减趋势 [1]。 随着工艺气体总流量的增加，折射率缓慢增加。在用等离子体形成的氮化硅膜的折射率与致密性没有必然 的联系，并不是折射率越高致密性就一定高。这点与用 LPCVD 所形成的氮化硅膜是有差异的。 随着工艺气体总流量的增加，吸光系数也缓慢增加， HF 酸腐蚀的速度也缓慢提高，可见致密性在变差。主 要原因是当流量增加时氮化硅膜的成分在发生很大的变化，离四氮化三硅越来越远，其实我们所称的等离 子下形成的氮化硅膜是一个相当笼统的说法，其膜成分的配比无数，能适合做高效太阳能电池减反射钝化 膜的氮化硅膜的要求是相当高的 [2]。绝对不是肉眼看到的，以为都一样。 随着工艺气体总流量的增加，少数载流子的寿命也发生了变化，刚开始呈上升趋势，然后呈下降趋势。从 少数载流子的寿命变化可以看出钝化的效能变化，当总流量变化时，等离子的扩散 长度也在改变，其实在 初期等离子激发时，对硅表面非但没有钝化作用，而存在一个损伤的过程，但是当膜增长到一定厚度时， 这种损伤将消失 [3]，然后会被补偿并增强钝化作用，而并不是说沉积膜的全过程都是钝化过程。 f sccm 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 σnm 43.32 50.43 62.84 75.55 82.23 90.19 94.38 97.47 93.73 90.24 n 1.92 1.93 1.96 2.06 2.08 2.11 2.13 2.16 2.19 2.22 k10-3 1.9 2.4 3.3 4.7 9.5 15.3 23.5 30.7 36.8 49.7 τeff 130 140 160 180 200 190 185 180 178 173 表 1 反应气体流量 f对膜厚 σ、折射率 n、吸光系数 k、少子寿命 τeff的影响 Table 1. Effect of the tolal gas flow rate on thickness,refractive index, extinction coefficient,τeff 在效率方面，当工艺气体总流量增加时，效率有一个最佳值，如图 3 所示，其中 η 为转换效率， f 为流量。 当然，这个效率的获得与整线其它工序有一个匹配的问题，在这里是要说明一个问题，就是，当本工序变 化时，其它工序跟着变化时，能达到 的一个最佳值是不同的，也就是说，膜的特性将影响着最佳电池性能 [4]。而这是结论，原因在于实验一的对膜性能的改变。膜的性能直接影响制作正面电极的难易程度，同时 直接影响转换效率。 图 3 气体流量对效率的影响 Figure 2. Effect of the total gas flow rate on the efficiency 4 结语 可以看出，管式 PECVD 设备的工艺气体流量的改变，会直接改变膜厚、折射率、吸光系数 、少子寿命、 转换效率，而其变化不是单调上升或单调下降的，通过该技术分析，可以避免在工艺中为了获得膜均匀而 忽略了流量是和电池转换效率密切相关的事实，可以让大家进一步明白电池转换效率与膜性能的密切联系。 这个分析也可以适用于平板型 PECVD 技术。对进一步提高晶体硅电池的转换效率，对我国晶体硅电池产 业获取更大的利润或降低生产成本都有直接的帮助。当然，在此没有进一步通过理论对实验进行分析是不 足之处。