PECVD

半导体材料结课论文——PECVD技术浅论

PECVD——等离子体增强化学气相沉积法浅论

半导体材料学中，硅材料可谓材料之王，而硅材料的一项重要应用就是制作单晶硅太阳能电池。在单晶硅太阳能太阳能电池制造中，最重要的工艺之一是在太阳能电池的表面沉积上一层减反射膜。以达到减反射和钝化作用。相比较在低温条件下沉积SiNx薄膜的PECVD工艺，是沉积这层减反射膜的最佳工艺方法，这样能起到表面钝化还有体内钝化以及减反射的效果。

PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）技术原理利用低温等离子体做能量源，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。

在研究PECVD之前要先了解CVD技术，CVD核心是一种利用化学反应方式,将反应物(气体)生成固态的产物,并沉积在基片表面的薄膜沉积技术。如可生成：导体，W(钨)等;半导体，Poly-Si(多晶硅), 非晶硅等;绝缘体(介电材质)，SiO2, Si3N4等.

而为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD).

当在低压气体施加一个射频电场或者微波时，其中少量的自由电子就可以在两次碰撞之间被电场加速而获得一定量的能量。加速电子与气体分子或原子SiH4、氧气、氮气等碰撞，可使之发生电离而产生二次电子，离子以及受激态的原子、分子。新生电子又可碰撞生长更多的电子。离子等。这种雪崩电离最终使气体成为等离子体。这些充满能量的反应物就会彼此在极板表面吸附。在被吸收后又很高的黏附系数，而且也很容易在基板表面上迁移，这两个因素使得沉积出来的薄膜有很好的一致性。这些被吸附在基板表面的激发原子团受到离子、电子的撞击，重新排列，并且和其他被吸附的反应物反应，形成新的键节，从而生成薄膜。

例如：工业上采用等离子体增强化学气相沉积技术再电池表面沉积一层氮化硅减反射膜。PECVD沉积SiNx薄膜是利用SiH4和NH3（或者混入适量N2），通过等离子辉光放电，

将SiH4和NH3分解，在硅片表面形成SiNx薄膜。它的反应方程式如下：

SiH4＋NH3 PF＋N2 SiNx: H＋H2

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那么究竟PECVD的作用原理是怎么样的呢？我们知道沉积膜目的是减反射和钝化，因此PECVD的工作原理必然与此二者有关。

PECVD的减反射作用

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。

而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：

r12?r22?2r1r2cos?R?1?r12?r22?2r1r2cos?

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。经计算可得，对于太阳光谱,取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2.35左右，此时PECVD减反射膜的作用于下图中可见：

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0.700.600.50Reflectance(0-1)0.400.300.200.100.00300400500600700800900100011001200Wavelength(nm)ˉ?§???′?óoè1??·′?éê?á3y?SiN¤?óo?μ·′?éê?

PECVD的钝化作用

为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，为了延长电池寿命，必须对电池表面和体均进行钝化处理。

调查得知：对硅的表面钝化:

采用PCD方法测镀膜后的少子寿命<3ms 制备SiO2膜后的少子寿命为4ms, 制备SixNx膜后的少子寿命为6.6ms, 显然SixNx膜表面钝化效果更好 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.

如上图所示,PECVD确实具备体钝化效果.

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这样，PECVD技术很好的完成了减反射和钝化两大目的要求，因此成为单晶硅太阳能电池制备中不可或缺的重要技术。历经多年发展，其实际的工业化应用已经发展的十分全面。

PECVD所做各层膜的作用和所采用的方法

PECVD法制成膜的种类不同，常见的有a-Si:H型、a-SiNx:H型以及n+ a-Si型，他们各自的特点是：

a-Si:H型：低隙态密度、深能级杂质少、高迁移率、暗态电阻率高

a-SiNx:H型：作为介质层和绝缘层时，介电常数适中，耐压能力强，电阻率高，固定电荷少，稳定性好，含富氮材料，针孔少，厚度均匀；作为钝化层时，密度较高，针孔少

n+ a-Si型：具有较高的电导率，较低的电导激活能，较高的参杂效率，形成微晶薄膜。 我们了解发现，SixNx材料膜在各种材料的膜中最受欢迎，其之所以被广泛应用是因为它具有独特的无可比拟的优点 :

1. 介电常数高 ,其值为 8 F·m-1,而二氧化硅或二氧化钛的均为 3.9 F·m-1； 2. SixNx质硬耐磨 ,疏水性好 ,针孔密度低 ,气体和水汽极难穿透；

3. 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。 4. 减反射效果好 ,SixNx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；

5. PECVD法制备的 SixNx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；

6. 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。

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PECVD技术 如今已经发展为多种多样，大致可分为直接法与间接法，其中直接法又可以分为管式PECVD系统和板式PECVD系统；间接法又分为微波法和直流法。

PECVD的优缺点

PECVD技术作为最为广泛使用的沉积膜方法，具备很多优势： 1.均匀性和重复性好，可大面积成膜； 2.可在较低温下成膜； 3.台阶覆盖优良；

4.薄膜成分和厚度轻易于控制； 5.适用范围广，设备简单，易于产业化； 6.高效率，低成本等。

但同时，PECVD也有其不可忽视的劣势： 1.要求有较高的本地真空； 2.防止交叉污染；

3.原料气体具有腐蚀性，可燃性，爆炸性，易燃性和毒性，应采取必要的保护措施。

PECVD技术原理深入纳米级，穷究原理纷繁复杂，难以在几千字中道尽，本人能力学术有限，只能浅尝辄止，权当抛砖引玉，希望能对初了解此项技术的朋友有所帮助。

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参考文献：

PECVD法非晶硅薄膜对太阳能级n型直拉单晶硅片钝化效果的研究-太阳能-2013年 第1期 (3) 非晶硅锗薄膜太阳能电池研究-新乡学院学报：自然科学版-2012年 第6期 (4)

适用于晶体硅太阳能电池的HF／LF—PECVD SiNx：H薄膜的特性研究-枣庄学院学报-2013年 第2期

Preparation of H-terminated and aminated diamond like carbon surfaces-稀有金属：英文版-2012年 第2期 (4)

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/valh.html