管式PECVD設(shè)備多晶硅鍍膜均勻性的改善研究

鎮(zhèn)江大全太陽能有限公司 ■ 姚玉 李良 李化陽 王霞 王俊 趙勇

0 引言

太陽電池鈍化技術(shù)通過飽和半導(dǎo)體表面的懸掛鍵，降低硅片表面活性，避免由于表面層引入雜質(zhì)而形成復(fù)合中心，在高效太陽電池的發(fā)展中起著相當(dāng)重要的作用。對于傳統(tǒng)的p型襯底而言，太陽電池鈍化技術(shù)有熱氧化法、等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)等，其中，由于PECVD低溫沉積制備的氮化硅薄膜不僅是理想的減反射膜，而且還能達到表面鈍化和體內(nèi)鈍化的效果，因此在硅基太陽電池中得到了廣泛應(yīng)用。采用PECVD制備的氮化硅薄膜具有卓越的抗氧化和絕緣性能，其可阻擋鈉離子、掩蔽金屬和防止水蒸汽擴散；此外，其自身的化學(xué)穩(wěn)定性也很好，除能被氫氟酸緩慢腐蝕外，基本不與其他酸發(fā)生作用。PECVD設(shè)備主要包括管式PECVD設(shè)備和平板式PECVD設(shè)備。但是由于管式PECVD設(shè)備自身的性能問題，導(dǎo)致其沉積的氮化硅薄膜的均勻性相較于平板式PECVD的略差，故其對硅片和沉積工藝的要求較高[1]。隨著對多晶硅太陽電池的質(zhì)量要求越來越高，對其制備過程中的質(zhì)量控制要求也越來越精細(xì)[2]。提升硅片鍍膜均勻性，改善硅片色差，保持硅片顏色與外觀的一致性變得尤為重要。

在PECVD工藝中，與鍍膜均勻性相關(guān)的影響因素主要有鍍膜工藝參數(shù)的設(shè)定、硅片制絨面反射率及石墨舟狀態(tài)，因此，本文主要對以上3個影響因素進行討論。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)計

1.1.1 實驗材料、設(shè)備

實驗材料：本實驗所用硅片為市售常規(guī)p型多晶硅片，尺寸為156.75 mm×156.75 mm，電阻率為1～3 Ω·cm，厚度為180±30 μm。

實驗設(shè)備：使用RENA制絨設(shè)備制絨，采用Centrotherm管式PECVD設(shè)備及設(shè)備自身配置的石墨舟鍍膜，采用致東光電D8-4絨面反射儀測試硅片反射率，采用sentech激光橢偏儀測試硅片鍍膜后的膜厚及折射率，使用GP COl-Q顏色檢驗設(shè)備測試鍍膜后硅片的顏色。

1.1.2 片內(nèi)、片間均勻性表征方式

鍍膜均勻性包括片內(nèi)均勻性和片間均勻性兩方面。

1)片內(nèi)均勻性表征方式。鍍膜后的硅片用同一激光橢偏儀測試膜厚和折射率，用于測試的5片硅片均取自同一位置，每片硅片均測試5個固定點，即1個中心點和4個角，根據(jù)測試數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)差來表征片內(nèi)均勻性。

2)片間均勻性表征方式。使用GP COl-Q顏色檢驗設(shè)備測試鍍膜后硅片的顏色，根據(jù)測試數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)差來表征片間均勻性。

1.2 實驗內(nèi)容

1)本實驗的PECVD鍍膜工藝采用雙層鍍膜，工藝參數(shù)對氮化硅薄膜的沉積速率有重要影響。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將同批次的硅片均勻分為若干組，在其他工藝條件相同的情況下依次改變以下參數(shù)：腔體內(nèi)、外層氣壓，內(nèi)層反應(yīng)氣體的配比，反應(yīng)氣體總氣流量，腔體中反應(yīng)溫度，射頻功率。

2)測試不同硅片制絨面反射率對鍍膜均勻性的影響。

3)石墨舟是承載硅片的載體，也是氮化硅薄膜沉積的載體，石墨舟狀態(tài)是否良好會直接影響氮化硅薄膜沉積的均勻性。實驗對比新、舊石墨舟對鍍膜均勻性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對鍍膜均勻性的影響

2.1.1 腔體內(nèi)、外層氣壓

表1為腔體內(nèi)層氣壓固定時，不同的外層氣壓對鍍膜均勻性的影響。

表1 腔體內(nèi)層氣壓固定時，不同外層氣壓對鍍膜均勻性的影響

由表1可知，當(dāng)內(nèi)層氣壓為固定的1700 mTorr、外層氣壓分別為1500～1800 mTorr時，外層氣壓越低，片間均勻性的數(shù)值越小，表明其均勻性越好。而片內(nèi)均勻性的數(shù)值越小，表明其均勻性有改善的趨勢。

本次實驗中發(fā)現(xiàn)，外層氣壓并非越低越好。當(dāng)外層氣壓分別為1500～1700 mTorr時，經(jīng)管式PECVD鍍膜后，硅片外觀正常。但經(jīng)過高溫退火處理后，采用Zeta 3D顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，外層氣壓為1500 mTorr時，硅片表面出現(xiàn)了密集的小白點，為花斑片；外層氣壓為1600 mTorr時，偶爾會出現(xiàn)花斑片；外層氣壓為1700 mTorr時，無花斑片。因此，外層氣壓為1700 mTorr時最佳。圖1為在不同外層氣壓下鍍膜并高溫退火后在Zeta 3D顯微鏡下的硅片表面對比圖。

圖1 在不同外層氣壓下鍍膜并高溫退火后在Zeta 3D顯微鏡下的硅片表面對比圖

硅片表面出現(xiàn)小白點的原因主要是由于隨著外層氣壓降低，等離子體沉積速率降低，膜層結(jié)構(gòu)致密[3]。在膜層結(jié)構(gòu)致密的情況下，高溫退火處理時內(nèi)層的Si-N 和N-H 鍵被破壞，大量氫原子逸出薄膜表面[4-5]，而外層高致密膜阻擋了氫原子溢出，薄膜就容易起泡，產(chǎn)生針孔狀小白點[6]。

表2為腔體外層氣壓固定時，不同的內(nèi)層氣壓對鍍膜均勻性的影響。由表2可知，內(nèi)層氣壓越低，硅片片內(nèi)均勻性略有改善，但片間均勻性變差。

表2 腔體外層氣壓固定時，不同內(nèi)層氣壓對鍍膜均勻性的影響

2.1.2 內(nèi)層反應(yīng)氣體的配比

表3為外層氮硅比(即氨氣和硅烷氣體的比值)不變時，不同內(nèi)層氮硅比對鍍膜均勻性的影響。

表3 外層氮硅比不變時，不同內(nèi)層氮硅比對鍍膜均勻性的影響

由表3可知，當(dāng)外層氮硅比不變時，適當(dāng)增加內(nèi)層氮硅比，片內(nèi)及片間均勻性均得到改善。其原因在于增加內(nèi)層氮硅比后，等離子氣體中的活性硅離子含量下降，導(dǎo)致中間態(tài)物質(zhì)Si(NH2)3下降，從而降低了氮化硅薄膜的生產(chǎn)速率[7-8]，改善了硅片片內(nèi)及片間色差。

2.1.3 反應(yīng)氣體總氣流量

將同批次實驗硅片均勻分為3組，每組240片，內(nèi)層反應(yīng)氣體的氮硅比固定為4.079，外層反應(yīng)氣體的氮硅比固定為10.256；然后改變反應(yīng)氣體總氣流量，觀察其對鍍膜均勻性的影響，具體影響情況如表4所示。

表4 反應(yīng)氣體總氣流量對鍍膜均勻性的影響情況

由表4可知，內(nèi)層反應(yīng)氣體總氣流量相對較小，增加內(nèi)層反應(yīng)氣體總氣流量可改善腔體內(nèi)反應(yīng)氣體的氣體分布密度，縮小片間差異[9]，改善片間均勻性。但是提高腔體內(nèi)層或外層反應(yīng)氣體總氣流量，單位體積內(nèi)等離子氣體中的活性硅離子含量也隨之增加[8]，薄膜生長速率增加，導(dǎo)致片內(nèi)均勻性明顯變差。

2.1.4 射頻功率

射頻功率是影響沉積速率的主要因素，射頻功率越大，沉積速率越大[6]，鍍膜均勻性越差。表5為射頻功率對鍍膜均勻性的影響，由圖可知，射頻功率增至8000 W時，片間、片內(nèi)均勻性均變差。

表5 射頻功率對鍍膜均勻性的影響

2.1.5 腔體中反應(yīng)溫度

腔體中反應(yīng)溫度的控制主要表現(xiàn)在調(diào)節(jié)石墨舟各溫區(qū)的直接鏈接變量(direct link varaiation，DLV)和清理腔體內(nèi)部碎片這兩方面。圖2為石墨舟各溫區(qū)的示意圖。

圖2 石墨舟各溫區(qū)示意圖

圖3為同機臺、同爐管時，調(diào)節(jié)DLV值控制腔體中石墨舟各區(qū)溫度對硅片片間均勻性的影響。可以看出，調(diào)節(jié)DLV后硅片內(nèi)部厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差有所降低，說明改善了硅片片間均勻性。

圖3 調(diào)節(jié)DLV控制石黑舟各區(qū)溫度對硅片片間均勻性的影響

圖4為調(diào)節(jié)DLV值前后石墨舟各溫區(qū)片間均勻性對比情況。由圖4可知，DLV調(diào)節(jié)后石墨舟各溫區(qū)片間均勻性得到改善。

圖4 調(diào)節(jié)DLV對石墨舟各溫區(qū)均勻性的影響

腔體內(nèi)碎片過多會影響熱電偶測溫，使腔體內(nèi)實際溫度和測定溫度不一致，導(dǎo)致等離子在石墨舟內(nèi)硅片上沉積速率存在差異[10]，同時還會影響腔體內(nèi)部進氣及氣流傳輸過程的穩(wěn)定性，導(dǎo)致片間均勻性變差。因此需要對腔體內(nèi)部碎片進行清理。圖5為同一機臺掏爐管清理腔體內(nèi)部碎片前后硅片片間均勻性的差異。

圖5 掏爐管清理腔體內(nèi)部碎片前后對硅片片間均勻性的影響

圖6為掏爐管清理腔體內(nèi)部碎片前后石墨舟內(nèi)各溫區(qū)片間均勻性的差異。由圖可知，各溫區(qū)片間均勻性均有明顯改善。

圖6 掏爐管清理腔體內(nèi)部碎片前后石墨舟內(nèi)各溫區(qū)片間均勻性的差異

2.2 硅片制絨面反射率對鍍膜均勻性的影響

從同批次實驗硅片中選取12片同晶花硅片，將其均分為2組，2組硅片在RENA制絨設(shè)備分別采用激活液和制絨尾液制絨后，采用D8-4絨面反射儀測試硅片制絨面的反射率；在相同PECVD工藝條件下鍍膜，然后測試不同制絨面反射率對鍍膜均勻性的影響，數(shù)據(jù)如表6所示。保證硅片的光程值(光程值=膜厚×折射率)范圍為172±1 nm。

表6 采用不同制絨方案后制絨面反射率對鍍膜均勻性的影響

反射率越低，制絨比表面積越大，鍍膜后平均膜厚越低，顏色偏深，易產(chǎn)生色差片。由表6可知，反射率增加，平均膜厚增大，片內(nèi)均勻性更優(yōu)。

2.3 石墨舟狀態(tài)對鍍膜均勻性的影響

將新石墨舟及使用超過3年的舊石墨舟飽和后進行PECVD鍍膜，片間均勻性差異如圖7所示。

由圖7可知，新石墨舟表面平整度好，石墨舟片導(dǎo)電性一致，薄膜分子可以均勻地沉積在硅片表面，片間均勻性更優(yōu)。

圖8為新石墨舟在使用周期內(nèi)的片間均勻性變化趨勢圖。

圖7 新舊石墨舟鍍膜后的片間均勻性對比

圖8 新石墨舟使用周期內(nèi)片間均勻性變化

新石墨舟飽和后在沉積時仍有部分等離子體在石墨舟片上沉積，運行次數(shù)小于30次時，隨著運行次數(shù)的增加，石墨舟片上沉積的等離子體減少，片間均勻性越佳。運行次數(shù)大于30次后，隨著使用次數(shù)的增加，石墨舟片內(nèi)壁與硅片接觸邊緣處薄膜變厚，電場反而變強，發(fā)生更多的等離子沉積，易出現(xiàn)不同程度的邊緣發(fā)白現(xiàn)象[11]，導(dǎo)致片間均勻性逐次變差。

3 結(jié)論

本文從鍍膜工藝參數(shù)設(shè)定、硅片制絨面反射率及石墨舟狀態(tài)3個方面對管式PECVD鍍膜均勻性進行了研究，結(jié)果表明：

1)鍍膜過程中適當(dāng)降低腔體外層壓力，增加內(nèi)層氮硅比，降低射頻功率對片內(nèi)或片間均勻性有所改善。實驗過程中，在保證良率的情況下，選擇外層壓力為1700 mTorr、內(nèi)層氮硅比為4.487、射頻功率為7600 W時，調(diào)節(jié)DLV優(yōu)化石墨舟各區(qū)溫度且定期清理腔體內(nèi)部碎片可改善鍍膜均勻性。

2)在一定范圍內(nèi)，制絨面反射率增加，膜厚增大，片內(nèi)均勻性更優(yōu)。

3)新石墨舟鍍膜均勻性明顯優(yōu)于舊石墨舟；在新石墨舟使用周期內(nèi)，運行30次時片間均勻性達到最優(yōu)。