無氫硅烷常壓化學(xué)氣相沉積SiOx薄膜在晶體硅太陽能電池制造中的應(yīng)用

趙 毅

(山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030000)

引 言

常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)是CVD技術(shù)中最古老、應(yīng)用最廣泛的方法之一。由于沒有真空系統(tǒng)的簡單性，以及高達(dá)500 nm/min的相對(duì)較高的沉積速率，它被認(rèn)為是與等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)和低壓CVD相比最經(jīng)濟(jì)的沉積技術(shù)之一[1-2]。

在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境壓力下的CVD技術(shù)可以用于在25 ℃～500 ℃的工作溫度下合成大量的固體薄膜材料，如金屬和有機(jī)或無機(jī)基成分。在硅太陽能電池制造中，這種薄膜可以用作增透涂層(TiOx)和表面鈍化層(AlOx)。采用APCVD技術(shù)制備了其他薄膜材料，如摻錫氧化銦(ITO)、摻錫和氟氧化銦和氧化鋅。

1 常壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(APCVD)

建立了APCVD系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。由于它的操作是在室溫下，APCVD系統(tǒng)完全由塑料組件，如聚碳酸酯。其他部件是通過3D打印技術(shù)，也可以采用熔融沉積建模，利用聚乳酸和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的熱塑性物質(zhì)制造的。3D打印的使用使APCVD系統(tǒng)的靈活設(shè)計(jì)成為可能。因此，試樣支架采用平面聚碳酸酯板制作，使其上部與基材之間的縫隙基本消除。反應(yīng)氣體無法進(jìn)入基片與板之間的間隙，從而避免了SiOx在基片底面的沉積。目前的APCVD工具每次只能處理一個(gè)6英寸寬的基片，但該技術(shù)非常適合用于高通量的內(nèi)聯(lián)工具。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

采用三組樣品對(duì)APCVD SiOx中的結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行了研究電影及其耐久性。由于這些薄膜的預(yù)期應(yīng)用不在表面鈍化，因此沒有研究界面上的電氣缺陷。在一組實(shí)驗(yàn)中，研究了薄膜厚度對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和與硅片表面幾乎原子平面化的界面的影響。RCA清理完后，將80 nm～800 nm厚的APCVD SiOx薄膜沉積在面積為2 cm×2 cm的閃亮的浮子區(qū)(FZ)硅晶片上。在另一組樣品中，用APCVD SiOx涂層不同的表面結(jié)構(gòu)以檢查薄膜與各種應(yīng)用程序的兼容性。研究了3組2 cm×2 cm的大樣本：

1) 堿性織構(gòu)單晶硅晶片。

2) 堿性織構(gòu)和ITO涂層單晶硅晶圓片。

3組樣品分別用大約115 nm～130 nm厚的APCVD SiOx進(jìn)行涂層電影。由于APCVD腔室適用于6英寸大的襯底，因此每組中的一塊硅片被放置在APCVD工具中，并在一次運(yùn)行中同時(shí)對(duì)3個(gè)硅片進(jìn)行涂層。

在第三組樣品中，研究了退火對(duì)蝕刻劑穩(wěn)定性的影響。2 cm×2 cm大的閃亮蝕刻和RCA清洗的FZ硅晶片被涂上約90 nm厚的APCVD SiOx薄膜。包覆樣品分為3組：第一組作為參照，不做退火處理，第2組在150 ℃退火1 min，第3組在300 ℃退火1 min。退火是在室溫下在熱板上進(jìn)行的。將APCVD SiOx薄膜在1.5% KOH和1% HF(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中的腐蝕速率與未退火樣品進(jìn)行比較，以找到耐受腐蝕溶液的最低適當(dāng)溫度。

3 結(jié)果及分析

3.1 膜的質(zhì)量

在SiOx涂層的光滑Ge晶片上進(jìn)行的EDX分析顯示了3種主要元素:Si、O和Ge以及少量的C(可能是由于處理造成的污染)，如圖1所示。O-to-Si原子比例計(jì)算的光譜和沉積樣品1.82和1.93的樣品退火在300 ℃的測量誤差1 min。O和Si原子濃度增加,從而導(dǎo)致高誤差O-to-Si原子比率約為±20%。

圖1 EDX光譜顯示SiOx元素分析

退火測試后，所有沉積的薄膜保持光滑和致密，未觀察到裂縫或剝落。然而，在150 ℃退火1 min后的樣品顯示出與參考樣品(未退火)相同的腐蝕速率。退火樣品的腐蝕率為300 ℃/min,相比于退火溫度≤150 ℃，從0.8 nm/s減少到0.3 nm/s,沉浸在1.5% KOH(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中從4 nm/s降到1 nm/s，如圖2中所示。

3.2 應(yīng)用

3.2.1 用于C-Si晶圓單面變形的APCVD SiOx掩膜

在APCVD SiOx涂層和單面織構(gòu)晶圓的背面和正面以及雙面織構(gòu)參考上測量了半球反射率。采用傳遞矩陣法進(jìn)行了數(shù)值模擬，其厚度為84 nm C-Si上的SiOx薄膜和熱，SiOx的折射率和消光系數(shù)均已設(shè)定。從圖3中可以看出，在APCVD SiOx涂層樣品上的測量結(jié)果與參考晶片上的測量結(jié)果以及SiOx涂層背面的模擬曲線都吻合得很好。因此，在300 nm～1 000 nm波長范圍內(nèi)，單面紋理晶圓的性能與傳統(tǒng)的雙面紋理晶圓相似。

圖2 測量的腐蝕速率與退火溫度的函數(shù)關(guān)系

圖3 APCVD SiOx前后半球反射率測量

這一過程的最后一個(gè)重要步驟是去除沉積的氧化膜，以便能夠進(jìn)一步處理背面。這是用HF蝕刻完成的。由于APCVD的腐蝕速率是SiOx在300 ℃ 1 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，HF溶液中退火的薄膜為1 nm/s，在大約1.5 min內(nèi)，上述樣品上84 nm厚的APCVD SiOx被完全蝕刻。

3.2.2 APCVD SiOx作為保護(hù)膜，防止寄生鍍在PERC太陽能電池上

APCVD SiOx可以均勻地沉積在156 mm×156 mm的大型太陽能電池上，測量的厚度均勻性為±5%。為了顯示APCVD SiOx作為抗寄生電鍍的掩膜效果，在沉積了SiOx局部上在激光開孔前涂覆PERC太陽能電池上，在正面接觸柵極上鍍HF。結(jié)果表明，在APCVD SiOx中PERC細(xì)胞正面的涂層區(qū)沒有發(fā)生寄生鍍層，沒有觀察到鍍金的劃痕或痕跡，金字塔完全沒有金屬顆粒。APCVD SiOx保護(hù)膜并沒有完全蝕刻在HF中，而HF是為了去除激光處理在柵極開孔中產(chǎn)生的薄SiO2而應(yīng)用的。

4 結(jié)論

在室溫下制備了致密的APCVD-SiOx薄膜，沒有孔隙和結(jié)構(gòu)缺陷。當(dāng)需要抗腐蝕劑的穩(wěn)定性時(shí)，退火溫度高達(dá)300 ℃是必要的。在本研究中，APCVD SiOx薄膜被用作防止堿性變形的保護(hù)涂層，允許C-Si晶圓的單側(cè)變形。在另一個(gè)應(yīng)用中，它們在酸性電解質(zhì)中充當(dāng)電鍍掩膜。APCVD SiOx屏蔽膜覆蓋了SiNx結(jié)構(gòu)缺陷和防止寄生沉積在正面的硅薄膜太陽能電池。