PECVD

PECVD简介PECVD的定义、原理、作用PECVD对电性能影响PECVD的钝化作用PECVD的减反射作用安全及注意事项3定义:PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition即“等离子增强化学气相沉积”，是一种化学气相沉积。原理:PECVD是借助微波使含有薄膜组成原子(Si、N)的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的SixNy薄膜。反应式如下：PECVD的定义、原理SiH4＋NH3----SixNy+H2PECVD原理PECVD技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温实现。5PECVD作用SixNy之所以被广泛应用是因为它具有独特的无可比拟的优点:介电常数高,其值为8F·m-1,而二氧化硅或二氧化钛的均为3.9F·m-1；SixNy质硬耐磨,疏水性好,针孔密度低,气体和水汽极难穿透；化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用。减反射效果好,SixNy薄膜的折射率接近2.0,比二氧化硅(n=1.46)、二氧化钛(n=2.4)更接近太阳电池所需的最佳折射率1.96,是所有已应用的介质膜中最符合太阳电池减反射层要求的；PECVD法制备的SixNy薄膜同时为太阳电池提供较为理想的表面和体钝化.二氧化硅只有表面钝化作用,二氧化钛没有钝化作用；能有效地提高电池效率,对多晶硅电池等低效率电池作用尤其明显。6PECVD的减反射作用右图为光在硅片上的反射、折射和透射．各字母表示的意思如图所示；反射率用R表示，透射率用T表示．无减反射膜时空气或玻璃n0=1or1.5SiN减反膜的最佳折射率n1为1.9或2.3硅n2=3.87在左图中示出了四分之一波长减反射膜的原理。从第二个界面返回到第一个界面的反射光与从第一个界面的反射光相位相差180度，所以前者在一定程度上抵消了后者。即n1d1=λ/4PECVD的减反射作用8忽略光吸收，光垂直入射时硅片表面的反射率:200)(nnnnRsisi式中，n0为外界介质的折射率，在真空或大气中等于1，若表面有EVA则取1.4；nsi为硅的折射率,硅的折射率对于不通波长的光数值是不同的,一般取600nm波长时的折射率3.9进行计算.如果硅表面没有减反射膜，在真空或大气中有约三分之一的光被反射，即使硅片表面已进行结构化处理，由于入射光在金字塔绒面产生多次反射而增加了吸收，也有约11%的反射损失。9二、有减反射膜时如果在硅表面制备一层透明的介质膜，由于介质膜的两个界面上的反射光互相干涉，可以在很宽波长范围内降低反射率。此时反射率由下式给出：cos21cos2212221212221rrrrrrrrR式中，r1、r2分别是外界介质-膜和膜-硅界面上的菲涅尔反射系数；△为膜层厚度引起的相位角。10其中，n0，n和nsi分别为外界介质、膜层和硅的折射率；0是入射光的波长；d是膜层的实际厚度；nd为膜层的光学厚度。nnnnr001nd04sisinnnnr00211当波长为0的光垂直入射时，如果膜层光学厚度为0的四分之一，即nd=0/4,则由上面的式子可得:202020)(sisinnnnnnR为了使反射损失减到最小，即希望上式等于0,就应有：sinnn012对于太阳光谱,取0＝0.6微米,如果电池直接暴露在真空或大气中使用，最匹配的减反射膜折射率为n≈1.97。在实际应用中，为了提高电池的使用寿命和抗湿能力，大多采用硅橡胶封装。所以，对于减反射膜来说，外界介质是硅橡胶，其折射率约为1.4，在这种情况下，最匹配的减反射膜折射率应为:sinnn035.29.34.1PECVD的作用0.000.100.200.300.400.500.600.70300400500600700800900100011001200Wavelength(nm)Reflectance(0-1)化学清洗后硅片反射率沉积SiN膜后的反射率PECVD的作用从裸露的硅表面和从覆盖有折射率为１.9和2.3的减反射膜的硅表面反射的正常入射光的百分比与波长的关系减反射膜的选取使得波长在600nm处产生最小的反射．虚线表示将硅封装在玻璃或有类似折射率的材料之下的结果．PECVD的作用氮化硅颜色与厚度的对照表颜色厚度（nm）颜色厚度（nm）颜色厚度（nm）硅本色0-20很淡蓝色100-110蓝色210-230褐色20-40硅本色110-120蓝绿色230-250黄褐色40-50淡黄色120-130浅绿色250-280红色55-73黄色130-150橙黄色280-300深蓝色73-77橙黄色150-180红色300-330蓝色77-93红色180-190淡蓝色93-100深红色190-21018PECVD的钝化作用为什么要进行钝化?由于太阳电池级硅材料中不可避免的含有大量的杂质和缺陷,导致硅中少子寿命及扩散长度降低从而影响电池的转换效率H的钝化机理:H能钝化硅中缺陷的主要原因是:H能与硅中的缺陷或杂质进行反应,从而将禁带中的能带转入价带或者导带．19一、对硅的表面钝化:采用PCD方法测镀膜后的少子寿命制备SiO2膜后的少子寿命为4ms,制备SixNy膜后的少子寿命为6.6ms,显然SixNy膜表面钝化效果更好二、对硅的体钝化:采用PCD方法比较钝化前后的少子寿命,为了排除表面钝化带来的影响,样本的寿命都是在含HF溶液中测量的.钝化效果检验—少子寿命:20以下是5种多晶材料钝化前后体寿命变化:如上图所示,PECVD确实具备体钝化效果.21钝化技术对于Mc—Si，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物）对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要，除前面提到的吸杂技术外，钝化工艺一般分表面氧钝化和氢钝化。表面氧钝化：通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法，可使Si-SiO2界面的复合速度大大下降，其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的俘获截面。在氢气氛围中退火可使钝化效果更加明显。22钝化技术氢钝化：钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。应用PECVDSi3N4可使表面复合速度小于20cm/s。PECVD的作用钝化太阳电池的受光面钝化膜(介质)的主要作用是保护半导体器件表面不受污染物质的影响，半导体表面钝化可降低半导体表面态密度。PECVD的作用钝化太阳电池的体内在SiN减反射膜中存在大量的H，在烧结过程中会钝化晶体内部悬挂键。25二氧化硅膜和氮化硅膜的比较热氧化二氧化硅和PECVD氮化硅钝化效果的比较26二氧化硅膜和氮化硅膜的比较从比较图中看出：二氧化硅膜的表面复合速率明显高于氮化硅膜，也就是说氮化硅膜的钝化效果比二氧化硅膜好。若表面氧钝化采用在氢气氛围中退火，钝化效果会有所改善。27PECVD对电性能影响总结:一方面,减反射膜提高了对太阳光的利用率,有助于提高光生电流密度,起到提高电流进而提高转换效率的作用.另一方面,薄膜中的氢对电池的表面钝化降低了发射结的表面复合速率,减小了暗电流,提升了开路电压,从而提高了光电转换效率;在烧穿工艺中的高温瞬时退火断裂了一些Si-H、N-H键,游离出来的H进一步加强了对电池的钝化多晶硅电池镀膜前后的I-V曲线安全无水氨气是一种刺激性、无色、可燃的储存于钢瓶的液化压缩气体。其存储压力为其蒸汽压14psig(70℉)。氨气会严重灼伤眼、皮肤及呼吸道。当它在空气中的浓度超过15%时有立即造成火灾及爆炸的危险，因此进入这样的区域前必须排空。进入浓度超过暴露极限的区域要佩戴自给式呼吸器。大规模泄露时需要全身防护服，并应随时意识到潜在的火灾和爆炸危险。暴露在氨气中会对眼睛造成中度到重度的刺激。氨气强烈地刺激鼻子、喉咙和肺。症状包括灼伤感、咳嗽、喘息加重、气短、头痛及恶心。过度暴露会影响中枢神经系统并会造成痉挛和失去知觉。上呼吸道易受伤害并导致气管炎。声带在高浓度下特别容易受到腐蚀，下呼吸道伤害会造成水肿和出血，暴露在5000ppm下5分钟会造成死亡。紧急救助眼睛接触：用大量的水冲洗，立即进行医疗处理。吸入：将人员移到空气清新处，若呼吸困难，则输氧，并迅速进行医务处理。皮肤接触：用大量水冲洗，立即脱掉被污染的衣服，并立即进行药物处理。安全火灾扑救灭火剂：干粉、二氧化碳或水从泄漏区疏散所有的人，切断氨气泄漏源，然后根据燃烧的物质进行灭火。由于受热钢瓶内压力会升高，如果泄压装置功能失灵，会引起钢瓶爆炸。硅烷是一种无色、与空气反应并会引起窒息的气体。该气体通常与空气接触会引起燃烧并放出很浓的白色无定型二氧化硅烟雾。它对健康的首要危害是它自燃的火焰会引起严重的热灼伤。如果严重甚至会致命。如果火焰或高温作用在硅烷钢瓶的某一部分会使钢瓶在安全阀启动之前爆炸，如果泄放硅烷时压力过高或速度过快，会引起滞后性的爆炸。泄漏的硅烷如没有自燃会非常危险，不要靠近，不要试图在切断气源之前灭火。硅烷会刺激眼睛，硅烷分解产生的无定型二氧化硅颗粒会引起眼睛刺激。吸入高浓度的硅烷会引起头痛、恶心、头晕并刺激上呼吸道。硅烷会刺激呼吸系统及粘膜。过度吸入硅烷会引起肺炎和肾病。硅烷会刺激皮肤、硅烷分解产生无定型二氧化硅颗粒会引起皮肤刺激。安全火灾扑救切断气源灭火，用水雾减少空气中形成的燃烧产物，不要用卤化物类灭火器。从最远的距离用水冷却暴露在火焰中的钢瓶。从泄漏区疏散所有人，切断气源，根据燃烧的物质灭火。由于热量的作用气瓶内压力会升高，如果泄压装置失灵会引起钢瓶爆炸。紧急救助由于硅烷泄漏引起人员灼伤应由受过培训的人员进行急救，并立即寻求医疗处理，眼睛接触：应立即用水冲洗至少15分钟，水流不要太快，同时翻开眼睑，使受难者为“O”形眼，立即寻求眼科处理；吸入：将患者尽快移到空气清新处，如有必要由受过培训的人员进行输氧或人工呼吸。皮肤接触：用大量的水清洗至少15分钟，脱掉已暴露在硅烷中被污染的衣服，小心不要接触到眼睛，如果患者有持续的刺激感或其他进一步的健康影响需立即进行医疗处理。泄漏的微波会损伤人体