PECVD工艺流程已修改Word文档下载推荐.docx
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4.6PECVD的维护保养18
4.7PECVD工艺流程中主要参与的化学方程式19
4.8PECVD中的应力控制20
第5章PECVD的未来与展望21
参考文献22
致谢23
等离子增强化学气相沉积的工艺流程
摘要
随着太阳能利用的日益广泛光电转换将越来越受到人们的关注。
在太阳能电池片的生产过程中，与很多因素有至关重要的关系，PECVD是其中的关键技术之一是影响着太阳电池质量的一个重要因素，PECVD是其中不可或缺的重要组成部分。
文章着重讨论PECVD的工艺流程，原理，应用，结构，制备，保养，注意事项和PECVD的未来发展。
关键词：
太阳电池；
PECVD；
氮化硅；
SiNx；
反射率；
减反射率；
薄膜
Plasmaenhancedchemicalvapordepositionprocess
Abstract
Withtheincreasinglywideutilizationofsolarenergyphotoelectricconversionwillbemoreandmorepeople'
sattention.Thesolarbatteryplateproductionprocess,andmanyfactorshaveimportantrelations,PECVDisoneofthekeytechnologiesofsolarcellsisanimportantfactorinthequality,PECVDisoneoftheindispensableimportantcomponent.ThisarticlediscussesthePECVDtechnologicalprocess,principle,application,structure,preparation,maintenance,mattersneedingattentionandthefutureofPECVDdevelopment.
Keywords:
SolarCell;
PECVD;
SiliconNitride;
SiNx;
Reflectivity;
Reducing
Reflectivity;
Thinfilm
第1章PECVD的概述
1.1PECVD的发展
随着环境的日益恶化以及资源逐渐的匮乏，人类正在寻找环保的,取之不尽用之不竭的新型能源。
根据科学家们的研究表明，太阳能是使用起来最为清洁，资源充足的新型能源之一。
就目前的发电技术而言，在我郭使用最为广泛的就是火力发电和风力发电，但是它们在发电过程中有很大的弊端，例如火力发电消耗的煤炭能源比较多，而且污染性很大；
风力发电虽然较为清洁，但是在我国大部分地区发电量很少。
于是乎，世界上各个国家都开始寻找新的对策，在许多国家，比如德国使用太阳能发电的覆盖率很高，我国也在大力推广光伏行业，并且在未来几年内我国将太阳能发电技术逐步取代其他形式的发电技术。
在使用太阳能发电过程中有几个优势，使用效率较高，成本低，无污染，能源取之不尽用之不竭。
这些优势就决定了光伏产业必将被广泛推广，必将取代其他能源形式的发电技术。
在太阳能发电过程中太阳能电池片是其中的核心之一，还有在太阳能电池片的生产过程中，PECVD（等离子增强化学气相沉积）是其中的关键技术之一。
它具有沉积速度快，膜层质量好等特点。
与其它镀膜技术相比，PECVD集成了真空，化学，物理，机械，电气，高频等各方面的技术，是一个较为复杂的系统。
在设备研究方面，主要解决低温稳定性，粉尘污染，气路气密性，高频辉光放电，全自动计算机控制等技术问题；
在工艺研究方面，主要解决膜厚均匀性，工艺重复性，光电转换效率等技术问题。
PECVD由于其等离子密度高，热均匀性好，产量大，沉积温度低，污染小等特点被广泛的应用。
PECVD设备主要的应用是在集体表面的镀膜技术上，目前市场上用的PECVD设备，国外的主要有德国centrotherm和日本岛津的镀膜设备；
国内主要有生产型管式PECVD。
尽管有许多优点，但仍存在不足，一是经济成本，二是技术成熟度。
在技术上，等离子体增强化学气相沉积无论是反应装置还是工艺都有待改进和完善。
不过随着研究的深入，等离子体增强化学气相沉积技术必将不断发展和成熟。
1.2PECVD的工作原理
PECVD系统是一组利用镀膜舟和高频等离子激发器的系列发生器，在低温和升温的情况下，等离子发生器直接装在镀膜板中间发生反应。
利用的活性气体为硅烷和氨气。
这些气体作用于储存在硅片上的氮化硅。
可以根据改变硅烷对氨气的比率，来得到不同的折射指数，在沉积工艺中，伴有大量的氢原子和氢离子的产生，使得晶片的氢钝化性十分良好。
PECVD的技术原理是利用低温等离子体作为能量源，样品置于低气压下辉光放点的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通过适量的反应气体，气体经过一系列化学反应和等离子体反应，使得样品表面形成固态薄膜
。
化学方程式为：
3SiH
+4NH
SiN
+12H
（200℃-400℃，50-300Pa的条件下）
理想反应：
SiH
•（gas）+NH•（gas）→SiN
:
H
+H
1.3PECVD设备的主要作用
PECVD集成了真空、化学、物理、机械、电气、高频等各方面的技术，是一个较为复杂的系统。
在设备研究方面，主要解决低温稳定性、粉尘污染、气路气密性、高频辉光放电、全自动计算机控制等技术问题；
在工艺研究方面，主要解决膜厚均匀性、工艺重复性、光电转换效率等技术问题。
作用主要是生成Si
N
减反射膜和H钝化。
1.SiN
：
H介绍
正常的SiN
的Si/N之比为0.75，即Si
但是PECVD沉积氮化硅的化学计量比会随工艺不同而变化，Si/N变化的范围在0.75-2左右。
除了Si和N，PECVD的氮化硅一般还包含一定比例的氢原子，即Si
或SiN
H.
2.SiNx:
H的物理性质和化学性质
物理性质和化学性质：
1.结构致密，硬度大2.具有卓越的抗氧化和绝缘性能，能抵御金属离子的侵3.蚀和水蒸气的扩散4.介电强度高5.耐湿性好6.耐一般的酸碱，除HF和热H
PO
3.SiN
减反射机理（如图1-1）：
图1-1SiN
减反射机理
设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n
、n
，减反射膜厚度为d
，则反射率R为：
4.Si
膜的认识
Si
膜的颜色随着它的厚度的变化而变化，其理想的厚度是73—77nm之间，表面呈现的颜色是深蓝色，Si
膜的折射率在1.9—2.1之间为最佳，与酒精的折射率相乎，通常用酒精来测其折射率
5.氮化硅膜的优点
1.减少光的反射2.良好的折射率和厚度可以促进太阳光的吸收3.防氧化:
结构致密保证硅片不被氧化4.低温工艺（有效降低成本）5.优良的表面钝化效果6.反应生成的H离子对硅片表面钝化和体钝化
6.Si/N比对SiN
薄膜性质的影响（如图1-2）
1.电阻率随x增加而降低2.折射率n随x增加而增加3.腐蚀速率随密度增加而降低
图1-2Si/N比对SiN
薄膜性质的影响
7.H钝化技术
对于Mc—Si，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物），因此对材料表面和体内缺陷进行钝化就显得特别重要。
钝化硅体内的悬挂键等缺陷。
在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。
氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。
在多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。
PECVD在制备Si
薄膜时可使表面复合速度小于20cm/s。
1.4PECVD的优点
1、放点能力强。
电子和离子的密度109-1012个/cm
平均电子能量可达1-10eV
2、真空度高。
本系统采用机械泵和罗茨泵，极限真空度可优于1Pa，成膜过程在真空中进行，大约为50-300Pa。
3、成膜温度低。
由于等离子体的存在，促进气体分子的分解，化合，激发和电离，促进反应活性基团的生成，从而可降低沉积温度并降低对温度均匀性的要求。
PECVD在200℃-450℃内生膜，远小于其他CVD在500℃-950℃内成膜，且温度均匀性要求较低，在2小时内3℃。
4、生产能力强。
PECVD成膜均匀，适合大批量成膜生产。
5、沉积速率快。
由于在氮气压条件下，提高了活性基团的扩散能力，从而提高薄膜的生长速度，Si
一般可达30-300nm/min。
6、设备密封性好。
由于工艺条件采用了易燃气体Si
，如果系统存在泄漏，将会对设备和人员造成威胁，因此气路采用VCR焊接，并且进行严格的正负压力检测。
1.5PECVD的特点
1、采用卧式热壁式，等离子密度高，热均匀性好，产量大；
2、沉积温度低，小于500℃，镀膜致密，热应力小；
3、载舟片采用软着陆技术，污染小，成膜质量好，有效提高电池片的转换效率；
4、采用平行平板电极，适合大面积片沉积，可满足目前国内最大规格太阳电池片基板成膜；
5、采用自动匹配射频电源，频率跟踪好，自动化程度高；
6、进口触摸式工业液晶屏+进口PLC的智能集散控制模式，实现监控。
工艺参数编辑，工况图显示，实时曲线显示，历史数据管理等人机交互功能，工艺过程自动控制；
7、整机模块化，标准化设计，关键件采用进口件，质量稳定可靠，安装快捷。
第2章PECVD的结构组成，主要的性能指标参数
2.1PECVD的组成结构
PECVD主要由工艺管及电阻加热炉、净化推舟系统、气路系统、电气控制系统、计算机控制系统、真空系统6大部分组成（如图2-1）
图2-1PECVD结构组织图（上图为PECVD外型，下图为PECVD组织结构）
1.电阻加热炉和工艺管
电阻加热炉是特制的高可靠性的发热体，是经过特殊工艺制成,它对恒温区的长度精度以及稳定度提供了基础，是影响成膜速率和均匀性的必要条件之一。
工艺管是引进美国的产品，具有口径大、壁厚均匀无气泡的优良性，它水平置于炉体的中央,两端配有密封法兰，可生产8英寸圆片、6英寸方片，同时经特殊磨口为真空密封提供可靠保证。
2.推舟系统
推舟系统采用软着陆的方式，即将石墨舟放到反应管内部后，推舟机构将退出，自动门关上。
载片舟是经特殊设计，在X轴、Y轴、Z轴三个方向可微调，再经精加工而成。
它直接影响到电场的分布、等离子的产生、气流的走向、膜的品质。
成膜压力甚至气体的流量都与此结构有关，所以推舟系统是本设备的核心部件。
3.气路单元
气路单元是一个独立体，它的所有使用元器件都是进口产品，具有控制精确、动作可靠和布局合理的优点，为安全生产提供一个先决条件。
4.电气总控制
电气总控系统对气路单元、工艺管、加热炉、推舟系统、真空系统进行控制，为自动化生产提供便利。
5.计算机控制
该设备由计算机自动控制，装片、取片由人工操作。
同时有多种报警系统，如超温报警、停水报警、断偶报警等，能为安全生产提供一个可靠的保障。
6.真空系统
真空系统是本台设备的关键之一，它是由罗茨泵机组、电动调节阀、电磁挡板阀、压力传感器和真空管道等组成。
2.2PECVD的主要性能指标参数
其成膜均匀性良好，稳定性高。
每片硅片间不均匀性误差在5%之内，同一批次硅片间误差在6%之内，不同批次硅片间误差在7%之内。
温度要求比较低，成膜温度为150℃-500℃，恒温区温度均匀，误差范围在2℃之内，并且在整个成膜过程中随时间变化小，误差在2℃/24h之内，升温时间较短，工作压力范围广，恢复真空时间短，设备密封性强，并且温度控制和计算机自动控制等安全措施功能。
（性能如表2-1）
成膜种类
氮化硅
装片尺寸
156mm×
156mm方片，125mm×
125mm方片
装片量
156mm方片，144片/批
125mm×
125mm方片，168片/批
成膜均匀性
片内≤±
5%
片间≤±
6%
批间≤±
7%（膜厚１μｍ内）
折射率：
1.98-2.1
膜厚：
800
使用温度
150℃-500℃
恒温区长度及精准
±
２℃／1200mm（400℃）
恒温区稳定度
400℃＜±
3℃／4ｈ
升温时间
ＲＴ→400℃≤25min
系统极限真空
5Pa
工作压力范围
50-300Pa
压力控制
闭环自动控制
恢复真空时间
AP→10Pa＜10min
系统漏气率
停泵关阀后压力升率＜3Pa/min
控制方式
计算机自动控制工艺过程,彩色汉字显示工艺参数和工艺流程，还有故障诊断、报警和保护功能
表2-1PECVD的主要性能指标参数
第3章PECVD的设备安装，调试
3.1PECVD设备的安装和调试工作
该设备的安装过程大致分为9个部分，下面就这几个步骤逐个进行简单的说明
1.设备进入净化间前须清扫，擦干设备内外灰尘、污渍，工艺管、真空管道应按微电规范进行清洁处理。
2.设备进入净化间后按要求摆放好，先装电阻炉部分，炉体架装上地脚并调平稳，然将炉体上架，再装工艺管，装工艺管时注意轻拿轻放，小心不要碰坏石英管。
同时装石管时在石英管下部垫上光滑的塑料布或其他光滑材料，以防划伤石英管。
要从炉口放向后推，千万不能从尾部向前推，以免碰坏石英管的真空密封磨口。
如果要清洗石英时，要反过来进行。
两端法兰按水冷法兰、气路法兰顺序装配。
3.靠拢净化台，调地脚螺钉，高度与炉体架一致，连接好各种控制线，再装配推舟系在装配时要特别细心，防止错装漏装密封圈而影响真空系统。
4.摆好真空机组，最好垫上一块橡皮，打上四个地脚螺钉，防止机组振动而造成工艺损坏。
用快卸卡箍管道连接好，再装上压力传感器等。
5.气路由管道连接，将各气路分别对应连接，并按规定压力送入本机。
6.将设备排风口、排废口、泵组排气口与用户管道连接好，如果用户备有尾气处理装置，必须事先确认与本设备所用气体种类、流量的相容性及安全性。
7.连接水路系统，最好有循环水装置，否则本机在工作时容易烧坏密封圈。
8.接地，将各机柜连接起来接入电网的零线。
出于使用过程中的安全性考虑，高频源单独接一根大地线，要将地线埋入地下1.8米以上，并放入木炭、水、盐各3公斤。
9.整机引入三相功率线，线径用35mm的多股铜线。
3.2设备调试前的检查工作
1.在完成以上步骤之后，就要进行检查工作了，首先我们要对水冷法兰通水，检查是否有漏水现象或水流是否畅通，以免在运行时发生故障。
2.第二步就要检查运动情况，首先检查步进电机前进后退是否反相，再检查到位是否停止，快慢是否可调，最后检查在运动过程中是否有卡壳现象。
3.检查照明灯经过运输是否损坏，以免造成在运行时查看等不便。
4.接下来就是检查真空管道是否连接好，确认无漏气口，以免有空气进入。
5.然后检查电阻炉功率板、触发板各部位引线接头是否松动，瓷件是否损坏。
6.防止在运行过程的时候，引起事故，检查各种接插件、对接件是否有错。
7.检查各种开关是否处于“停电”或“关”状态。
8.最后一步就是检查热偶插入深度及正、负极是否有错。
3.3设备的调试
在各种检查确认无误后整机上电，各个控制单元分别通电检查仪表、按钮、电磁阀、风机、泵等在方向和对应关系上是否正常，在有关人员认可的情况下可开机运行
1.温度调试
当对PECVD通上电时，本机有黄、绿、红三色灯泡指示，然后按下“上电开关”，待两分钟后按炉体“加热”开关即可，记下各温区的升温电流的大小（用钳形表测量），并记下升温时间、到达设定温度时间。
当各温区到达预计温度时，对两个温控仪表进行一次自整定，然后对中间一个仪表再整定。
待数分钟后若3个温区仪表显示非常平稳时，认定为PID各个参数合适，若发现某个仪表不稳就再进行一次自整定。
下面分别介绍各个温区的温度调试测量。
（1）拉恒温区
将测量热偶端点置于炉膛正中间，待数分钟后视测量仪表的mv值（要求是6位数字电压表测才能满足测量精度）。
然后将此mv值对照热电偶分度表，换算出温度值，发现控温仪表显示值与实际值有偏差时，通过调节控温仪表修正“Pb值”得到校准。
用此方法再测恒温区的两端点。
经过2至3次的重复，将这3点调到满意的程度。
最后将测量热偶置于恒温区的尾端，充分等待炉温的稳定，一般情况下mv表的显示值在±
１μv范围内变化视为炉温的稳定。
（2）精拉恒温区
在粗拉恒温区的基础上开始精拉恒温区，一般要求检测人员每隔3～5分钟测一个点，每点间距为50mm，然后找出最大值减去最小值再除以2，这就定义为恒温区正负温度值。
恒温区精度定义：
（测量最大值－测量最小值）／2。
控温精度被定义为在恒温区中某一点的温度精度。
通常是指在恒温区的中点随时间的测量，时间的长短按合同指标。
这种方法目前是国内外通用的一种方法。
具体测量方法是：
在恒温区调好后，将测量热偶的一端置于炉膛正中点，待稳定后记录一次值，然后每隔10分钟记录一次，最长记录24小时共记录144次，将144次当中的最大值减去最小值再除以2即为控温精度的正负值。
2.真空调试
下面简单介绍真空调试的几个步骤：
（1）通上电见“常压”指示灯亮时步进电机前进，直至自动停止运行，这时用一张薄纸试端板是否压紧，根据需要调节推舟座，推舟座在X、Y、Z三个方向上均可调节。
（2）开滑阀泵时气动蝶阀也自动打开。
（3）打开慢抽，可听到电磁阀的响声，这时慢抽通道已被打开。
（4）给电磁挡板阀加6.3公斤以下的压力，再打开主抽阀，待几秒钟后真空度急速上升，约10分钟就可降至10Pa以下。
（5）打开罗茨泵，在3分钟之内真空度即可降到10Pa以下，甚至可抽到1Pa以下。
（6）在真空度到达以后，关掉主抽阀和慢抽阀，再停罗茨泵后停滑阀泵。
（7）这时根据压力显示仪的压力变化，按时间计算出压升率应≤3Pa／min，否则按上例原则反复抽真空。
3.推舟调试
推舟过程分为9个过程，依次如下
（1）水平行程开关共3个，其用途分别是：
“后退到位”为推舟后退停止的位置，此位置前后精确度要求不高；
“缓冲位”提供水平推舟的增减速的位置，以及开始垂直升降的一个位置，此位置前后精确度要求不高；
“前进到位”为提供前进到位信号，是石墨舟与电极连接杆相对接的一个位置，因此此位置要求精确。
以上3个位置信号要求保证可靠，否则将导致损坏石英管或推舟系统的后果。
（2）垂直行程开关为一个，即“下位”，提供垂直升降的最下位和给旋转编码器提供归零信号。
此位置的确定，以推舟系统悬臂杆离石英管有一定安全距离为准，约5mm以上，同时悬臂杆要能顺利退出。
此位置要求精确，否则导致损坏石英管。
旋转编码器提供了垂直升降的“中位”和“上位”，“中位”和“上位”的相对点是“下位”，可以在软件里调整，一般不需调整。
旋转编码器与丝杆的连接必须为十分可靠的连接，否则会损坏石英管。
（3）汽缸有4个到位信号，“旋转关到位”、“旋转开到位”、“汽缸进到位”、“汽缸退到位”，以上4个信号必须可靠，否则会损坏石英管或石墨舟。
（4）完整“送片”动作的前提是“常压”、“后退到位”、“上位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”的条件都满足时才能启动。
如果有任何一个条件不满足，请“手动”让各个部件到达相应位置。
（5）完整的“取片”动作前提是“常压”、“后退到位”、“下位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”的条件都满足时才能启动。
（6）“手动”情况的各个分解动作要注意石英管与石墨舟的安全，其中“水平推舟”只会在“前进到位”和“后退到位”时才会自行停止，在缓冲点不会自行停止。
“垂直升降”只会在“下位”和“上位”时自行停止，在中点不会自行停止。
（7）悬臂杆调成水平的，而不是将石墨舟调成水平，这样更有利于减少由于悬臂杆上、下变形引起的影响。
（8）在每次设备重新上电时务必将推舟系统手动复原至“升降下位”和“推舟退到位”，其中操作一次“升降下位”是为了升降舟软件归零。
（9）在“常压”指示灯亮时，推舟无任何卡壳现象，无任何异常声音为正常。
第4章PECVD的工艺
完成了该设备之前的调试和各个部分的检查之后，在制作薄膜过程中必须理解该工艺的基本步骤和程序。
PECVD的工艺步骤流程如图4-1所示。
装好基片后自动进舟，进舟到位后对工艺管抽真空，恒温一段时间后进行工艺淀积，这一步是关键工艺，在此过程应保持温度、压力、流量、高频功率等参数的稳定性，淀积工艺完成后再清洗、充氮，保证残余气体未留在反应管内，最后退舟、卸片、装片，进行下一循环，整个工艺流程约半小时
图4-1PECVD的工艺步骤流程
4.1工艺过程
1.启动真空泵，先抽中间工艺腔室，再抽两头的装载、卸载腔室。
2.待工艺腔室真空到达5.0e-3时，启动加热器，将其激活。
3.将4个微波源进行复位。
4.复位后开始输送特气NH
、SiH
5.待温度达到400℃查看工艺方案状态，检查参数是否与之前一致。
6.选择工艺号，进行加载开启。
7.待工艺开始运行后，启动传动，进行石墨舟预热（约2-3次）
4.2原材料及注意事项
1.核对上道工序流过来的产品，检查数量是否与流程单一致，并检查产品是否有缺角，裂纹，挑出退回。
2.上料时要轻，稳，准，尽量避免人为造成碎片。
3.下料时也要轻，稳，准，尽量避免人为造成碎片。
4.下料的同时要检查镀膜质量，首先用眼光判断是否有需要返工待产品，如：
绒面色斑，镀膜不良，亮点，水痕印，手指印，刻蚀线过宽，盒子印是否过大，吸盘印。
5.从下料的产品中抽取6—10片进行膜厚与折射率待测试，如有变动则需要修改参数（具体修改视实际情况而定）。
6.将下料好的产品与流程单一起流到下道工序，确保数量与流程单一致，并确保产品中无缺角，碎片等。
4.3工艺操作规范
1.上料时要戴好乳胶手套，用吸盘进行装片，装满一舟进行镀膜（一舟大概为36片）。
2.如不满36片则用假片补充。
或用下一张流程单的片子进行补满，应做好标记（如在舟边上放一小片碎片）。
3.待石墨舟经过上料腔，加热腔，工艺腔，冷却腔，下料腔后进行下料。
4.下料时也要戴好乳胶手套，用
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