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作者簡(jiǎn)介：李軍陽(yáng)，男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體工藝設(shè)備開發(fā)與研究工作，近年來(lái)致力于太陽(yáng)電池用PECVD設(shè)備在國(guó)內(nèi)的研發(fā)及工藝研究并取得重大突破，現(xiàn)任職深圳市大族光伏科技股份有限公司研發(fā)總監(jiān)。
摘要：本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)在太陽(yáng)能電池行業(yè)使用管式PECVD沉積氮化硅減反射膜時(shí)為了實(shí)現(xiàn)均勻性而隨意調(diào)整工藝氣體流量而做出實(shí)驗(yàn)性分析，避免在工藝過程中發(fā)現(xiàn)電池轉(zhuǎn)換效率下降了而難以找到原因。通過改變工藝氣體的流量，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的一些文獻(xiàn)，得出了工藝氣體流量對(duì)氮化硅膜的直接影響，同時(shí)也直接導(dǎo)致了電池轉(zhuǎn)換效率的變化。通過這些研究為制備高性能電池減反射膜提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為我國(guó)的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高提供一條途徑。
關(guān)鍵詞：等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積；PECVD，太陽(yáng)電池；氮化硅
0引言
氮化硅膜作為晶體硅太陽(yáng)能電池減反射鈍化膜是目前太陽(yáng)能電池制備的主流，然而由于用PECVD來(lái)制備的氮化硅膜，是以SixNyHz方式來(lái)表達(dá)的，其中的x,y,z的數(shù)值直接影響了膜的光學(xué)性能和對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池表面和體內(nèi)的鈍化作用，因?yàn)槠鋽?shù)值對(duì)于膜的折射率、消光系數(shù)、致密性都有直接的影響，本文的目的就是研究工藝氣體流量對(duì)膜性能的影響。以實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)闡述。
1機(jī)理分析
1.1氣體的輸運(yùn)
在CVD系統(tǒng)中，氣體的流動(dòng)處于黏滯流的狀態(tài)。氣體的輸運(yùn)過程對(duì)薄膜的沉積速度、薄膜厚度的均勻性、反應(yīng)物的利用效率等都有重要的影響。
氣體在CVD系統(tǒng)中發(fā)生兩種宏觀流動(dòng)，一是外部壓力造成的壓力梯度使氣體從壓力高的地方向壓力低的地方流動(dòng)，即氣體的強(qiáng)制對(duì)流。二是氣體溫度的不均勻性引起的高溫氣體上升、低溫氣體下降的流動(dòng)，即氣體的自然對(duì)流。
對(duì)一般尺寸的CVD反應(yīng)容器（直徑430mm內(nèi)）來(lái)說，在流速不高（約10cm/s）時(shí)，氣體將處于黏滯流的層流狀態(tài)。
1.2PECVD過程中的微觀過程
1氣體分子與等離子體中的電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生出活性基團(tuán)和離子。其中，形成離子的幾率要低得多，因?yàn)榉肿与x化過程所需的能量較高。
2活性基團(tuán)可以直接擴(kuò)散到襯底表面。
3活性基團(tuán)也可以與其他氣體分子或活性基團(tuán)發(fā)生相互作用，進(jìn)而形成沉積所需的化學(xué)基團(tuán)。
4沉積所需的化學(xué)基團(tuán)擴(kuò)散到襯底表面。
5氣體分子也可能沒有經(jīng)過活化過程而直接擴(kuò)散到襯底附近。
6氣體分子被直接排出系統(tǒng)之外。
7到達(dá)襯底表面的各種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生各種沉積反應(yīng)并釋放出反應(yīng)產(chǎn)物。
假設(shè)一個(gè)極端的情況：假設(shè)在襯底表面處，反應(yīng)進(jìn)行得很徹底，沒有殘余的反應(yīng)物存在；假設(shè)在裝置的上界面Y=B處，物質(zhì)的擴(kuò)散項(xiàng)等于零；假設(shè)輸入氣體的初始濃度為c0?？梢缘玫饺缡剑?）：
這一結(jié)果表明，沉積速率將沿著氣體的流動(dòng)方向呈指數(shù)形式的下降，如圖1所示,其中V1~V4為氣體流速,且V4>V3>V2>V1，L為流動(dòng)方向的長(zhǎng)度?？梢岳斫?，原因的產(chǎn)生是反應(yīng)物隨著距離的增加而逐漸貧化，因此當(dāng)流速太低時(shí)，尾部的氣體濃度迅速減少而導(dǎo)致尾部的生長(zhǎng)速度變慢；當(dāng)提高流速時(shí)，尾部的氣體濃度沒有明顯降低而顯著提高生長(zhǎng)的一致性。
根據(jù)這現(xiàn)象，提高薄膜沉積均勻性的措施有：提高氣體流速和裝置的尺寸B；調(diào)整裝置內(nèi)溫度分布，影響擴(kuò)散系數(shù)的分布。
2實(shí)驗(yàn)方法
2實(shí)驗(yàn)方法
本文針對(duì)的是管式PECVD設(shè)備的流量實(shí)驗(yàn)，在石墨舟的前后依次沿軸線放置7片拋光片，通過測(cè)量膜厚來(lái)鑒定膜的生長(zhǎng)速度，通過不同的流量來(lái)分析流量對(duì)成膜性能的影響，對(duì)膜性能測(cè)試是在固定其它參數(shù)的情況獲得的。對(duì)于電性能的測(cè)定則通過穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線來(lái)批量求得結(jié)果。反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)、氣體流向示意如圖2所示。
3結(jié)論和探討
通過實(shí)驗(yàn)可以看出，見表1，隨著工藝氣體總流量的增加，膜的厚度呈上升趨勢(shì)，也即成膜速度呈遞增趨勢(shì)，但超過一定流量后又呈下降趨勢(shì)。對(duì)這個(gè)變化的解釋是，當(dāng)流量的增加，等離子濃度也呈上升趨勢(shì)，但是當(dāng)超過一定值后，由于等離子能量在呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致繼續(xù)等離子化難度增加，這樣當(dāng)流量繼續(xù)增加時(shí)，等離子的濃度反而會(huì)降低，成膜速度呈遞減趨勢(shì)[1]。
隨著工藝氣體總流量的增加，折射率緩慢增加。在用等離子體形成的氮化硅膜的折射率與致密性沒有必然的聯(lián)系，并不是折射率越高致密性就一定高。這點(diǎn)與用LPCVD所形成的氮化硅膜是有差異的。
隨著工藝氣體總流量的增加，吸光系數(shù)也緩慢增加，HF酸腐蝕的速度也緩慢提高，可見致密性在變差。主要原因是當(dāng)流量增加時(shí)氮化硅膜的成分在發(fā)生很大的變化，離四氮化三硅越來(lái)越遠(yuǎn)，其實(shí)我們所稱的等離子下形成的氮化硅膜是一個(gè)相當(dāng)籠統(tǒng)的說法，其膜成分的配比無(wú)數(shù)，能適合做高效太陽(yáng)能電池減反射鈍化膜的氮化硅膜的要求是相當(dāng)高的[2]。絕對(duì)不是肉眼看到的，以為都一樣。
隨著工藝氣體總流量的增加，少數(shù)載流子的壽命也發(fā)生了變化，剛開始呈上升趨勢(shì)，然后呈下降趨勢(shì)。從少數(shù)載流子的壽命變化可以看出鈍化的效能變化，當(dāng)總流量變化時(shí)，等離子的擴(kuò)散長(zhǎng)度也在改變，其實(shí)在初期等離子激發(fā)時(shí)，對(duì)硅表面非但沒有鈍化作用，而存在一個(gè)損傷的過程，但是當(dāng)膜增長(zhǎng)到一定厚度時(shí)，這種損傷將消失[3]，然后會(huì)被補(bǔ)償并增強(qiáng)鈍化作用，而并不是說沉積膜的全過程都是鈍化過程。
表1 反應(yīng)氣體流量(f) 對(duì)膜厚(σ)、折射率(n)、吸光系
數(shù)(k)、少子壽命(τeff) 的影響
數(shù)(k)、少子壽命(τeff) 的影響
在效率方面，當(dāng)工藝氣體總流量增加時(shí)，效率有一個(gè)最佳值，如圖3所示，其中η為轉(zhuǎn)換效率，f為流量。當(dāng)然，這個(gè)效率的獲得與整線其它工序有一個(gè)匹配的問題，在這里是要說明一個(gè)問題，就是，當(dāng)本工序變化時(shí)，其它工序跟著變化時(shí)，能達(dá)到的一個(gè)最佳值是不同的，也就是說，膜的特性將影響著最佳電池性能[4]。而這是結(jié)論，原因在于實(shí)驗(yàn)一的對(duì)膜性能的改變。膜的性能直接影響制作正面電極的難易程度，同時(shí)直接影響轉(zhuǎn)換效率。
4結(jié)語(yǔ)
可以看出，管式PECVD設(shè)備的工藝氣體流量的改變，會(huì)直接改變膜厚、折射率、吸光系數(shù)、少子壽命、轉(zhuǎn)換效率，而其變化不是單調(diào)上升或單調(diào)下降的，通過該技術(shù)分析，可以避免在工藝中為了獲得膜均勻而忽略了流量是和電池轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)的事實(shí)，可以讓大家進(jìn)一步明白電池轉(zhuǎn)換效率與膜性能的密切聯(lián)系。這個(gè)分析也可以適用于平板型PECVD技術(shù)。對(duì)進(jìn)一步提高晶體硅電池的轉(zhuǎn)換效率，對(duì)我國(guó)晶體硅電池產(chǎn)業(yè)獲取更大的利潤(rùn)或降低生產(chǎn)成本都有直接的幫助。當(dāng)然，在此沒有進(jìn)一步通過理論對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析是不足之處。
參考文獻(xiàn)
[1]M. Proschek, Y. Yin, C. Charles, A. Aanesland, D. R. McKenzie, M. M. Bilek and R. W. Boswell, Plasma Source Science, 14, 2005, 407-411.
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[3]F. Duerinckx, J. Szlufcik. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2002, 72:231.
[4]A. Rohatgi, Z. Chen, P. Sana, J. Crotty, and J. Salami, "High efficiency multicrystalline silicon solar cells" Sol. En. Mat. and Sol. Cells, 34, pp.227-236, (1994).
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