管式PECVD工艺对氮化硅薄膜折射率的影响

管式PECVD工艺对氮化硅薄膜折射率的影响 第 25 卷 第 3 期 2012 年 6 月出版 山东科学 Vol, 25 No , 3 Jun , 2012SHANDONG SCIENCE DOI: 10, 3976 / j, issn, 1002 , 4026, 2012, 03, 012 PECVD管 式工艺对氮化硅薄膜折射率的影响 1 2 1 1 1 1 1 1 1,,,,,,,,任现坤马玉英张黎明刘鹏姜言森徐振华贾河顺程亮张春艳 ( 1, ,25010;3 2, ,25020)0 山东力诺太阳能电力股份有限公司山东 济南 山东凯文科技职业学院山东 济南 : ,,摘要折射率是反映薄膜成分以及致密性的重要指标是检验薄膜制备质量的重要参数其变化直接影响太阳能电池的 。、、转化效率本文研究了不同射频功率腔体压强衬底温度以及硅烷和氨气配比等沉积条件对在太阳能电池上沉积的氮 ,。化硅薄膜折射率的影响了氮化硅薄膜折射率随各沉积条件变化的原因 : ; ; ; ; ( PECVD)关键词折射率致密性转化效率氮化硅等离子增强型化学气相沉积 + : O484, 4 11002-4026( 2012) 03-0058-04: A: 中图分类号文献标识码文章编号 Impact oft ube PECVD processo n the refracitve index of silicon nitridethi n film 1 2 1 1 1 REN Xian -kun,M A Yu -ying,ZHANG Li-m ing,LIU Peng,JIANG Yan -sen, 1 1 1 1 XU Zhen -hua,JIA He-shun,CHENG Liang,ZHANG Chun -yan ( 1, Shandong Linuo Solar Pow er Holdings Co ,L td , , Ji nan 250103,China; 2, Shandong Kaiw en Vocational College of Science and Technology,Jinan 250200,China) Abstract ? Refraction index is an important parameter reflecting film compositioann d density, It also reflects preparation quality of thin film,which directly affectst he transformation efficiency ao fs olar cell, This paper investigated the impact ofradio frequency power,chamber pressure,substrate temperature and the ratio of saline and ammonia on the refraction index of siliconni tride thin film depositedo n a c-Si solar cell, We analyze the reason that refractive index of azotized silicon thin film changes with different deposition ncdoitions, Key w ords? refractive index; densification; conversion efficienc; y Silicon nitride; PECVD 1引言 ( PECVD) 。等离子增强型化学气相沉积 技术是目前太阳能行业普遍采用的一种生长氮化硅的方法采 PECVD ,,、用 制备的氮化硅薄膜具有卓越的抗氧化性和绝缘性同时具有良好的阻挡钠离子掩蔽金属和水 。,,,, 蒸汽扩散的能力其化学性质稳定除氢氟酸外不与其它无机酸反应抗腐蚀能力强并且还能够对晶体硅 ,1 , 2,。,PECVD ,。进行表面钝化和体内钝化因此制备的氮化硅薄膜在太阳能领域得到广泛应用近年来国 内 ,外学者对氮化 硅薄膜的研究表明氮化硅薄膜折射率的 变化将对太阳能电池的电性能有很重要的影 2012-03-27: 收稿日期 : ( 863 2012AA05030、32011AA050504) ; ( 2010ZHZX1A0702、) ( 基金项目国家高技术研究与发展 计划重点项目 山东省自主创新成果项目 2011ZHZX1A0701) 作者简介: 任现坤( 1986 ,) ,男,助理工程师,主要研究方向为太阳能电池技术。Email: renxiankun@ yeah, net, ,5,。,能电池的光电转化效率理论计算及相关实验表明适用于晶体硅太阳能电池的氮化硅薄膜的折射率在 ,6,2, 0 : 2, 1。PECVD 、、、系统主要沉积条件包括射频功率腔体压强衬底温度气体总流量以及硅烷和氨气配 ,7,,。,比等这些条件的变化对氮化硅薄膜的折射率有重要影响由于影响氮化硅薄膜折射率的因素很多而 ,。且不同的设备会有不同的最佳沉积条件我们有必要对主要的沉积条件进行研究 、、,本文主要研究不同射频功率腔体压强衬底温度以及硅烷和氨气配比条件下制备不同性能的氮化硅 ,。薄膜并分析讨论了各沉积条件对氮化硅薄膜折射率的影响 2实验方法 Centrotherm PECVD E2000 HT 320-4 。1本实验采用德国 管式 设备 型制备不同折射率的氮化硅薄膜图 ,15613 。 P ( 100 ) -为反应 室及气流方向的示意 图石 墨 舟 为 片 标 准 型 石 墨 舟实 验 采 用 型 直 拉 的 156 mm× 156 mm200 ? 30 m,0, 5 : 3 cm; 、、,?单晶硅片厚度为 μ电阻率约为 Ω实验前硅片经过清洗制绒磷 、、。 扩散边缘刻蚀去磷硅玻璃等工序 ,本实验在现有生产工艺的基础上采用分别改变其 ,中一个变量而其它沉积条件不变的实验方法得出各个 。4 : ( A) 变量与折射率的关系实验分为 批硅烷流量不 ,,NH? SiH2 ? 1、5 ? 1、8 ? 变只改变氨气流量以 为 3 4 1、10 ? 1 12? 1 5 ; ( B) ,和 进行 组实验只改变射频功率每间隔 1 、图 反应室气流方向示意图 200 W,2 000 W 3 600 W 9 330 ? 490 ? 20 ?; ( C) ,一组实验从 到 进行了 组实 验只改变衬底温度由 到 间隔 Fig, 1 cShematic of a reaction chamber andi ts airflow 9 199, 5 Pa 332, 5 Pa; ( D) ,进行 组实验只改压强从 到 direction 26, 6 Pa 6 1 SENTECH SE 400ad v,。,每间隔 进行了 组实验具体工艺参数如表 所示氮化硅薄膜制备后利用 。 多角度激光椭偏仪来测量所得氮化硅薄膜的折射率 1 表 氮化硅薄膜工艺参数 Table 1 Process parameters iofN S3 4 films / W/ ?/ Pa/ kHz/ ( mL / min)/ ( mL / min)On / Off) / ms( 试验编号 衬底温度 腔体压强 功 率 频 率 氨气 时间 硅烷 A900 : 54004503000450226, 1404 /40 4000 450 2000 : 3800 450 226, 1 40 4 /40 B 4000 450 3000 330 : 490 226, 1 40 4 /40 C 4000 450 3000 450 199, 5 : 332, 5 40 4 /40 D 3实验结果及分析 3, 1 NH/ S iH与氮化硅薄膜折射率的关系3 4 2 A ( ) 。,图 为在 不同氨气和硅烷配比条件下所沉积氮化硅薄膜的折射率变化曲线从图中可以看出 ,。随着硅烷和氨气配比的加大沉积氮化硅薄膜的折射率逐渐减小这是因为当反应气体中硅烷与氨气的流 ,,,Si—Si , 量比大时生长出的氮化硅薄膜中硅的含量增加没有富余的氮和硅结合硅原子自身形成 键即所 ,8,,。NH ,N ,制备的薄膜呈现富硅的特性折射率偏高随着 流量的增加反应气体中 原子数增多从而使生成 3 ,9,Si—N 。,6,N ,,的薄膜中 含量增加薄膜中形成了更多的 键薄膜的折射率降低根据文献知适用于晶体硅 2, 0 : 2, 1 NH? SiH,A ,太阳能电池的氮化硅薄膜的折射率在 范围内变化则在 组实验条件下的合适范围为 3 4 7? 1 11?1 。到 3, 2 射频功率对氮化硅薄膜折射率的影响 2012 山东 科 学 年 60 3 ,射频功率与氮化硅薄膜折射率的关系如图 所示 1 B 。其它工艺参数如表 中 所示从图中可以看出在其 , 他沉积条件一定的情况下氮化硅的折射率随射频功率 。,Si—H 的增加而减小从键能的角度看由于 键的键能 N—H ,Si—H 小于 键 的 键 能使 断 裂 需 要 的 能 量 比 ,10,N—H。,键断裂需要的能量小所以在射频功率较低 ,,时等离子体中含有的硅基离子要多于氮基离子生成 ,。SiH的薄膜中硅的 含 量 大折射率也比较大当 浓 度 4 ,,N—H 一定时随着射频功率 的 增 加使 得 更 多 的 键 破 ,,,裂为反应提供了充分的氮的自由基硅氮反应充分因 。而折射率也随着下降 2 NH/ SiH图 与折射率的关系3 4 ,6,同理根据文 献知 适 用 于晶体硅太阳能电池的 Relationship of NH/ SiHand refractive 3 4 ig, 2F 2, 0 : 2, 1 ,B 氮化硅薄膜的折射率在 范围内变化在 组 index ,2 400 W 实验 条 件 下则 射 频 功 率 的 合 适 范 围 为 到 3 000 W。 3, 3 衬底温度对氮化硅薄膜折射率的影响 衬底温度对氮化硅薄膜的性质和结构稳定性有着 ,非常重要的作用给衬底升温可以使气体分子团在到达 ,衬底后具有一定的表面迁移能力在位能最低的位置结 ,,,合到衬底上去使所形成薄膜内应力较小结构致密具 ,11 , 12,。有良好的钝化性能 1 C,本批实验工艺参数如表 中 衬底温度与折射率 4 4 450 ? 。,的关系如图 所 示由 图 看 出当 温 度 低 于 3 图 射频功率与折射率的关系 ,,时氮化硅薄膜的折射率随着温度的增加而增加当温 Relationship of RF power and frreactive ig, 3F 450 ? ,。度高于 时折射率出现下降这是因为在沉积温 index Si ,,,,度较低时硅烷和氨气未能完全发生反应反应的离子在 基片表面的迁移能力差生成的薄膜结构疏松 ,,,。,针孔密度大呈现较为松软的状态致密度较差所以折射率低随着沉积温度的升高反应室内的气体的活 ,,Si ,化率提高基片表面的离子的能量增强反应离子在 基片表面的迁移能力增强使生成的薄 膜 表 面 致 密 ,13,、。,,度折射率增加随着温度的继续增加由于硅片表面的温度比较高吸附在表面的离子以及生成的产物 ,14,,,,。等比较容易逃离导致生成的薄膜针孔增加致密度减弱折射率降低 ,6,2, 0 : 2, 1 ,C 根据文献知适用于晶体硅太阳能电池的氮化硅薄膜的折射率在 范围内变化在 组实验 ,450 ? ,2, 067。条件下衬底温度在 下沉积的氮化硅薄膜折射率最高为 3, 4 腔体压强与氮化硅薄膜折射率的关系 PECVD ,沉积腔内的反应气体压强是 工艺中的重要参数之一决定了反应腔体内反应气体的分布和速 ,15,,。1 5 D ,度从而直接影响薄膜的沉积过程薄膜沉积参数如表 中 所示图 给出了腔体压强与折射率的关 ,5 199, 5 Pa 279, 3 Pa 279, 3,,; 系由图 看出当腔体压强从 增加到 时薄膜的折射率逐渐增大当腔体压强大于 Pa ,。时折射率下降 ,: , 我们认为腔体压强的增加对薄膜的折射率的影响有以下两个方面的因素一是由于腔体压强增加腔 ,,,体内的反应气体增加增加了气体分子之间的相互碰撞几率使生成薄膜的前驱物增多生成薄膜的致密度 ,射率变化是以上两方面共同作用的结果当腔体压强低 ,,, 时随着压强增大气体分子平均自由程的降低不明显 ,而反应气体分子数量却明显增加从而增大了薄膜的致 ; ,密度当腔体压强增加到一定值时气体分子平均自由 , 程对薄膜致密度的影响将超过反应气体分子数的影响 ,5 这时薄膜的致密性就开始随压强的增加而下降如图 。所示 D ,279, 3 Pa ,, 组实 验 中在 压 强 为 时折 射 率 最 高 ,。薄膜致密性最好为此组实验中最佳压强 4 图 衬底温度与折射率的关系 4结论 Relationship of substrate temperature and ig, 4F PECVD 本文着重研究了 氮化硅膜的折射率与生长 refractvei ,、、 条件的关系通过调节射频功率腔体压强衬底温度以index ,及硅烷和氨气配比等工艺参数发现沉积工艺参数改变 。对所获得氮化硅薄膜的折射率产生一定的影响具体 :如下 ( 1) NH/ SiH氮化硅薄膜折射率随着 流量比的增 3 4 ;加而减小 ( 2) SiH,,在 流量固定时当射频功率增大时生成 4 ;的氮化硅薄膜折射率减小 ( 3) 450? ,当温度低于 时氮化硅薄膜折射率随着 ,450? ,;衬底温度升高而增加当大于 后折射率降低 ( 4) 199, 5 Pa 332, 5 Pa ,当腔体压 强 由 变 化 到 时 , 可以看出薄膜的折射率相对于其它沉积条件受压强影5 图 腔体压强与折射率的关系 ,279, 3 Pa ,响较小在 压 强 为 时氮化硅薄膜折射 率 较 Relationship of recessed pressure anfdr acrteive ig, 5F 。高 index 。本文的数据和结论为进一步提高晶体硅电池片的转换效率和降低生产成本提供了一些新的思路在今 NH/ SiH、,。后应继续研究 流量比射频功率对氮化硅薄膜折射率的影响找出最佳的流量比和射频功率 3 4 :参考文献 ,1,PALOURA E,NAUKA K,LAGOWSKI J, Silicon nitride films grown on iliscon below 300 in low power nitrogen plasma ,J,, Appl Phys Let,1986,49: 97 , 99, ,2,,,,, PECVD ,J,, 2004,25 ( 3) : 341 , 344,,王晓泉汪雷席珍强等淀积氮化硅薄膜性质研究太阳能学报 ,3,ROHATGI A,CHEN Z,SANA P,et al, High efficiency multicrystalline silicon solar cells,J,, Sol En Mat And Sol Cells,1994,34 ( 1 /2 /3 /4) : 227 , 236, ,4,,,,, PECVD SiNx: H ,J,, 2011,32( 10) : 1431 , 1435,,曹晓宁周春兰赵雷等法 薄膜减反钝化特性研究太阳能学报 ,5,,, N ,J,, 2011( 17) : 3,,李永超崔景光不同折射率对 型单晶硅太阳电池电性能的影响科技风 ,6,,,, ,J,, 2011,34( 12) : 145 , 151, ,赵萍麻晓园邹美玲晶体硅太阳电池减反射膜的研究现代电子技术( 79 )下转第 页 ,: 3 史建国等血样预处理与酶电极法分析 第 期 79 ,、、。因为氟化钠抑制的烯醇化酶不是糖酵解的限速酶所以其抑制速度慢显效迟缓效果欠佳甘油醛处理的 8 h 4 ? 25 ? ,。血标本 内在 和 时葡萄糖基本稳定但乳酸值有较明显的增高说明甘油醛对血糖的保护效果 ,、、。,,比氟化钠好且不引起溶血用量少效果稳定综上所述作为葡萄糖测定保护剂甘油醛优于氟化钠在常 ,。,。温下就能达到即刻起抑制糖酵解但由于其能促进乳酸生成所以不能作为血乳酸测定的保护剂氟化钠 ,4 ? ( ) ,。作为血乳酸测定抑制剂应同时采用 低温保存冰水浴才能达到准确测定血乳酸的效果 、25 s,,由于酶电极法测定全血血糖血乳酸实际测定时间仅 且结果重现性良好相对于全自动生化分析 、、,。仪具有简便快速廉价的特点特别适合于临床急症的快速分析的要求 :参考文献 ,1,, 30 J,, 2011,49( 7) : 131 , 132,,,张铁营例危重病患者血乳酸测定的临床价值中国现代医生 ,2, ,, ,J,, ( ) 2011,51( 6) : 43 , 45,饶小平朱绿绮动态监测血乳酸对评估小儿脓毒症的临床意义南昌大学学报医学版 ,3, ,,,, 、,J,, ,2011,18赵勇谭晓如李诺等痉挛型脑性瘫痪患儿血乳酸肌酸激酶水平及其临床意义的初 探临 床 医 学 工 程 ( 7) : 1034 , 1035, ,4, ,,,, ,J,, ,2010,4吴健锋管向东陈娟等早期 乳酸清除率评估与失血性低血容量休克预后的研 究中华普通外科学文献 ( 4) : 28 , 30, ,5, MIKKELSEN M E,MILTIADES A N,GAIESKI D F,et al, Serum lactate is associated with mortality in severe spesis independent of organf ailure and shock,J,, Crit Care Med,2009,37( 5) 1670 , 1677, ,6, TRZECIAK S,DELLINGER R P,CHANSKY M E,et al, Serum lactate as a predictor of mortality in patients with infection,J,, Intensive Care Men,2007,33( 6) : 970 , 977, ,7, , ,J,, ( ) ,2003,13( 4) : 367 , 369,王建糖酵解引起血糖测定前误差的原因及对策江苏大学学报医学版 ,8, ,,,, L , ,J,, 200,1,13( 4) :胡云良楼哲丰楼文文等甘油醛与氟化钠对血葡萄糖测定的保护效果比较中国卫生检验杂志 425 , 426, ,9, LANDT M, Glyceraldehyde preserves ogfl ucose concentration in whole blood specimens,J,, Clin Chem,2000,46( 8) : 1144 , 1149, ( 61 )上接第 页 ,7,ABERLE A G, Overview on SiN surfacep assivation of crystalline silicon solar cells ,J,, Solar Energy Materials,Solar Cells,2001, 65( 1 /2 /3 /4) : 239 , 248, ,8,,,,, PECVD ,J,, 2007,38 ( 5) : 703 , 705,,吴清鑫陈光红于映等法生长氮化硅工艺的研究功能材料 ,9,,,, SiH-NH-NJ,, , 2003,22( 7) : 14 , 16,LPCVD ,刘学建黄智勇蒲锡鹏体系 氮化硅薄膜的研究电子元件与材料 4 3 2 ,10,,,, PECVD ,J,, 1990,17 ( 2) : 174 , 182, ,杨爱龄张秀淼邵迪玲氮化硅膜的性质与生长条件的关系杭州大学学报 ,11,,,, ,J,, 2006,39 ( 7) : 12 , 16,,李新贝张方辉牟强等离子增强型化学气相沉积条件对氮化硅薄膜性能的影响材料保护 ,12,,, PECVD ,J, , 2009,34 ( 3) : 12 , 15,,王大刚张德坤发硅基氮化硅薄膜的制备及其耐磨性研究润滑与密封 ,13,,,, MEMS J,, 2006,19 ( 5) :,,于映吴清鑫罗仲梓氮化硅薄膜力学性能的研究及其在射频 开关中的应用传感技术学报 1967 , 1969, ,14,,,,, PECVD SiNx , 1999,20( 3) : 183 , 187,,赵永军王民娟杨拥军梁春广薄膜应力的研究半导体学报 ,15,,,,, ,J,, 2010,33( 2) : 139 , 141, ,韩小林黎威志袁凯等沉积功率和气压对低频氮化硅薄膜应力的影响电子器件