PECVD工艺对氮化硅薄膜的影响

仅供参考~

　　制备氮化硅（Si3N4）减反射膜是制造高效率太阳能电池的重要环节。氮化硅膜通常采用PECVD技术生成。PECVD又称等离子体增强化学气相淀积，淀积过程中，硅烷氨气流量比、射频功率、温度、淀积时间等工艺参数的变化对氮化硅薄膜的生长均有影响。

1氮化硅膜在太阳能电池中的作用

　　通常SiNx中的Si/N值为0.75，即Si3N4，而实际PECVD淀积氮化硅的化学计量比会随工艺的不同而变化，Si/N变化的范围在0.75～2之间。PECVD的氮化硅薄膜中，除了含有Si和N元素，一般还包含一定比例的氢，即SixNyHz或SiNx︰H。

　　利用PECVD技术在硅片表面淀积的氮化硅薄膜，可以使薄膜前后两个表面产生的反射光相互干扰，从而抵消反射光，达到减反射的效果，增加对太阳光的吸收，提高光生电流密度，从而提高电池的转换效率。同时，氮化硅膜中的H降低了表面复合速率，带来更小的暗电流和更高的开路电压，提高了光电转换效率。另外高温瞬时退火会断裂一些Si-H、N-H键，游离出来的H与缺陷及晶界处的悬挂键结合，减少了界面态密度和复合中心，达到对电池的钝化效果。

2氮化硅膜的PECVD法制备

　　CVD（全称为ChemicalVaporDeposition）即化学气相沉积。CVD技术主要有以下几种：APCVD（常压，700℃～1000℃）、LPCVD（低压，750℃）、PECVD（等离子体增强型，300℃～450℃）。氮化硅是在半导体技术中常用的一种钝化材料。制作氮化硅的方法很多，其中PECVD技术由于反应气体简单、灵活性高、温度要求低、淀积速率快等优点而被广泛采用。制备Si3N4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：采用低温等离子体作能量源，将样品置于低压辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，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即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法淀积的薄膜厚度在80nm左右，这样厚度的薄膜具有良好的光学特性。

3影响氮化硅膜生长的工艺参数

　　PECVD生长氮化硅薄膜涉及到的主要工艺参数有：时间、温度、气体流量、压力、射频功率、脉冲开关时间。下面主要针对气体流量比、射频功率、温度、淀积时间、压强五个因素进行分析：

　　3.1NH3与SiH4流量比

　　当NH3流量增加，薄膜生长速率加快，但随着膜层中H含量的上升，膜层中Si-H键、N-H键的数量也随之增多，氮化硅膜质地变得疏松。如果提高氨气流量，则会使膜中富含N元素，从而导致膜的绝缘性下降。同样，硅烷流量的增大将提升膜中Si元素的含量，这也会使膜的绝缘性变差。若气体流量比过大，会使反应室内气体浓度增加，气体分子平均自由程变小，淀积到表面的反应生成物减少，导致淀积速率随流量增加反而减少。

　　3.2射频功率

　　随着射频功率的增大，反应加速，氮化硅薄膜生长速率加快。射频功率继续加大，极板间的电压更大，基片上的氮化硅膜在轰击作用的影响下变得更加结实和致密，随着功率再进一步提高，就出现了类似“溅射”的现象，阻碍了氮化硅膜的继续生长。高射频功率将带来高腐蚀速率。因此适当降低功率不仅可以减少基片表面损伤，获得均匀且致密的膜层，也使得反应更易于控制。

　　3.3温度因素

　　在PECVD生长氮化硅薄膜的过程中，基片表面存在等离子体的沉积和挥发两种机制，随着温度的升高，沉积机制占主导，但随着温度继续升高，两种机制逐渐平衡，当温度继续升到某一临界值以后平衡被打破，挥发大于沉积，导致高温下淀积生长薄膜的速率有所下降。

　　3.4淀积时间

　　淀积时间通常应结合其他工艺参数进行设置，淀积时间太短，膜厚及折射率达不到要求，淀积时间太长，则会造成工艺气体的浪费，增加工艺成本，同时也会影响淀积膜的质量，而由于膜层中存在的机械应力问题，当膜厚过厚时，薄膜会开裂甚至剥落。

　　3.5反应压强

　　过低的压强将导致薄膜淀积速率变慢，生长出的氮化硅膜的折射率也较低。较大的压强可以增大薄膜的淀积速率，但是会造成均匀性差的问题，容易产生干涉条纹。

4实验数据分析

　　基于上文分析，为了在不降低淀积速率的基础上获得较好的氮化硅膜的厚度、质量、反射率等特性，我们采用淀积两层膜的方法。这样不仅减少了对基片表面的损伤，而且双层膜可以减少氢离子的溢出，从而获得更好的钝化效果，这对太阳能电池片的电性能有较大改善。

　　以156×156mm型号多晶硅太阳电池片为片源，取40片样品，淀积前的工序均采用正常工艺，为了消除前段工序影响，采用混批处理分成两组，每组约20片，膜厚控制在85nm、折射率为2.07。测试数据如下：

　　双层膜：反射率5.06%、最低点波长708nm、Uoc0.607mV、Isc8.384mA、FF76.98、Eta16.09。

　　单层膜：反射率6.00%、最低点波长710nm、Uoc0.605mV、Isc8.342mA、FF76.75、Eta15.93。

　　从实验数据看来，双层膜比单层膜反射率高约0.09%，双层膜对短波的减反射效果比单层膜好。（说明：Uoc表示开路电压，Isc表示短路电流，填充因子FF为UmaxImax与UocIsc的比值，Eta表示入射太阳能转化为有效电能的效率。）

5结语

　　采用PECVD技术生长太阳能电池氮化硅减反射膜时，影响氮化硅膜生长的工艺参数有气体流量比、射频功率、温度、镀膜时间、压强等。经过分析发现薄膜淀积速率随气体流量比的增大而增大；随射频功率的增大先增大后减小；随温度的升高先升高后下降；反应气体必须处于低真空下，而且其真空度只允许在一个较窄的范围内变动；淀积时间不易过长，否则易造成膜层开裂剥落。通过双层膜样品的淀积、测量和分析，发现双层膜工艺不仅可以降低氮化硅膜的反射率，还可以获得更好的钝化效果。

微信报名，限时优惠~