培训讲义PECVD 修正版.docx
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培训讲义PECVD修正版
&1PECVD:
（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）等离子增强的化学气相沉积
&1.1工艺目的介绍：
在太阳电池表面沉积深蓝色减反膜-SiN膜。
其作用如下：
*在电池片正表面镀一层减反增透膜，减少光的反射，增加电池对光线的吸收。
*对电池的正表面进行H钝化。
*对电池正表面进行保护，防止氧化。
除Si3N4膜外，TiO2，SiO2也可作为减反膜。
&1.1.1减反射膜：
如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束光的光程差恰好为π，即振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。
适当选择膜层折射率，这时光学表面的反射光可以完全消除。
标志氮化硅膜的两个参数：
膜厚、折射率
氮化硅颜色与厚度的对照表
颜色
厚度（nm）
颜色
厚度（nm）
颜色
厚度（nm）
硅本色
0-20
很淡蓝色
100-110
蓝色
210-230
褐色
20-40
硅本色
110-120
蓝绿色
230-250
黄褐色
40-50
淡黄色
120-130
浅绿色
250-280
红色
55-73
黄色
130-150
橙黄色
280-300
深蓝色
73-77
橙黄色
150-180
红色
300-330
蓝色
77-93
红色
180-190
淡蓝色
93-100
深红色
190-210
&1.1.2氢钝化：
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，由于反应物分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。
应用PECVD，Si3N4可使表面复合速度小于20cm/s
&1.1.2表面保护：
SiN膜具有卓越的抗氧化和绝缘性能，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；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用。
&1.2PECVD的原理：
（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）等离子增强的化学气相沉积
&1.2.1等离子体：
气体在一定条件下受到高能激发，发生电离，部分外层电子脱离原子核，形成电子、正离子和中性粒子混合组成的一种形态，这种形态就称为等离子态，即第四态。
&1.2.2反应原理：
PECVD技术原理是利用强电场或者磁场使所需的气体源分子电离产生等离子体，等离子体中含有很多活性很高的化学基团，这些集团经一系列化学和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。
反应室所需温度为400oC，压强为0.1Mbar（1巴（bar）=100,000帕（Pa）=10牛顿/平方厘米=0.1MPa）
1.013×105帕斯卡叫做1标准大气压。
华氏度（5oF）
正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。
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SixNyHz或SiNx:
H
Si/N比对SiNx薄膜性质的影响：
电阻率随x增加而降低
折射率N随x增加而增加
腐蚀速率随密度增加而降低
&1.2.3相关化学物质的介绍：
氨气（NH3）：
无水氨气是一种刺激性、无色、可燃的储存于钢瓶的液化压缩气体。
其存储压力为其蒸汽压14psig（70℉）。
氨气会严重灼伤眼、皮肤及呼吸道。
当它在空气中的浓度超过15%时有立即造成火灾及爆炸的危险，因此进入这样的区域前必须排空。
进入浓度超过暴露极限的区域要佩戴自给式呼吸器。
大规模泄露时需要全身防护服，并应随时意识到潜在的火灾和爆炸危险。
暴露在氨气中会对眼睛造成中度到重度的刺激。
硅烷（SiH4）：
硅烷是一种无色、与空气反应并会引起窒息的气体。
该气体通常与空气接触会引起燃烧并放出很浓的白色无定型二氧化硅烟雾。
它对健康的首要危害是它自燃的火焰会引起严重的热灼伤。
如果严重甚至会致命。
如果火焰或高温作用在硅烷钢瓶的某一部分会使钢瓶在安全阀启动之前爆炸，如果泄放硅烷时压力过高或速度过快，会引起滞后性的爆炸。
泄漏的硅烷如没有自燃会非常危险，不要靠近，不要试图在切断气源之前灭火。
硅烷会刺激眼睛，硅烷分解产生的无定型二氧化硅颗粒会引起眼睛刺激。
吸入高浓度的硅烷会引起头痛、恶心、头晕并刺激上呼吸道。
硅烷会刺激呼吸系统及粘膜。
过度吸入硅烷会引起肺炎和肾病。
硅烷会刺激皮肤、硅烷分解产生无定型二氧化硅颗粒会引起皮肤刺激。
关于两种气体的比例：
反应气体为高纯氨、高纯氮气和高纯硅烷，主要反应气体是高纯氨气和高纯硅烷，氮气主要用来调节系统的真空度和稀释尾气中的硅烷。
PECVD工艺中使用的气体为高纯SiH4和高纯NH3，气体流量大约为多晶为550:
1500，单晶540:
1700。
从氮化硅（Si3N4）分子式可知，/=（3×32）/（4×17）=1.4为理想的质量比，理想的流量比为3/4。
而;在实际当中，硅烷的价格是较昂贵的，因此在生产过程中，廉价的氨气适当过量以达到硅烷的较大利用率，而以总体的成本最低，经济效益最高为目的。
因此，流量比选择Si/N=1/3。
在沉积过程中，如果硅烷的量比率过大，反应不完全，则尾气中的硅烷含量高，过量的硅烷会与空气中的氧气进行剧烈反应，有火焰和爆破声，对于生产操作不利，且也白白浪费硅烷，同样氨气和氮气的过量也会造成浪费。
因此流比的选择必须围绕较好的折射率和较佳的经济效率来考虑。
&1.3PECVD种类：
&1.3.1PECVD分类：
PECVD按沉积腔室等离子源与样品的关系上可以分成两种类型：
直接法：
样品直接接触等离子体，样品或样品的支撑体就是电极的一部分。
间接法：
（离域法）待沉积的样品在等离子区域之外，等离子体不直接打到样品表面，样品或其支撑体也不是电极的一部分
直接法：
管式PECVD系统：
使用石英管作为沉积腔室，电阻炉作为加热体，将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉积。
板式PECVD系统：
系统采用平板型的电极，与样品支架形成一个放电回路，在腔室中的工艺气体在两个极板之间的交流电场的作用下在空间形成等离子体
间接法：
微波法：
使用微波作为激发等离子体的频段。
直流法：
使用直流源激发等离子体。
&1.3.2管式PE与板式PE
均匀性分析：
管式PECVD：
系统由于其石墨舟中间镂空，因此利用了硅片作为电极的一部分，因此辉光放电的特性就与硅片表面的特性有了一定的关系，比如硅片表面织构化所生成的金子塔尖端的状态就对等离子体放电产生影响，而目前硅片的电导率的不同也影响到等离子场的均匀性；
气流是从石英管一端引入，这样也会造成工艺气体分布的不均匀
板式PECVD：
系统使用了衬底板作为电极，而且采用匀气的Shower系统，均匀性有所改善
板式PECVD由于平行板电极间距的不一致，也会导致成膜不均匀
板式PECVD系统中，存在等离子体高频波长所带来的附加的不均匀性
成膜致密度分析：
直接PECVD的等离子体直接作用于硅片表面，均匀性好间接法PECVD中形成生长成分后扩散到衬底成膜，致密度差，基元和衬底的附着力较弱直接PECVD离子能量较高，促使生长基元和衬底有较强的附着力溅射PECVD相比具有更差的致密度
&1.4PECVD系统介绍
&1.4.1生产用板式PECVD：
SiNA是德文Silizium（硅）-Nitrid（氮）-Anlage（处理系统）的缩写。
它是专门利用PECVD过程来沉积氮化硅薄膜的系统，最初SINA系统只用于研究。
SiNA系统是一个模块化的在线生产系统，主要用于太阳电池减反膜的沉积。
生产公司：
Roth&RauAG
等离子产生方式：
微波（2.45GHz）
SiNA系统有三个腔体，分别是进料腔，反应腔（包括预热、沉积和冷却三部分）和出料腔。
各腔体直接有闸门阀隔开。
除了腔体，其它主要部分包括真空泵系统，真空监测系统（各种真空规），气体供应系统，等离子源（微波发生器），冷却水系统，硅片传送系统和衬底加热系统等。
真空规管就是测量真空度的传感器。
真空规管测量出来的信号传输到真空计上经过放大处理就可以显示出被测真空环境的真空度。
主要应用于真空环境的真空度测量领域，如真空镀膜，太阳能集热管制作，真空冶炼等。
&1.4.2关于石英管的一些操作：
1.1石英管的拆卸
工艺反应时间（或沉积反应时间）之后，一层1——2mm厚的氮化硅层（SiN）在硅片表面生长出来，由此改变了耦合条件和沉积性能（沉积率降低）
我们建议在30——40小时后更换石英管，玻璃石英管的拆卸按照如下步骤：
（1）将微波发射头上相关的盖子拆开
图9：
SiNA系统中整合的小型微波发射头（MWhead）
（2）将微波连接器一端的铜质天线向外拔出80mm后即可挪开该天线（见图10的右图）
图10：
在工作位置和维护位置配有铜质天线的小型微波发射头
（3）将横向的沉积罩向上移开
图11：
完整的等离子体发射源（左图）和没有横向沉积罩的等离子体发射源（右图）
（4）顺时针方向打开快速释放卡口锁定装置（使用特殊的工具——见等离子体发射源操作手册）
卡口锁定机械装置
（5）将卡口锁定装置拉出夹口（法兰盘）
图13：
设备维护位置时的卡口锁定机械装置
（6）向上取出石英管部件（带有全部的附属部件）
1.2沉积罩的拆卸
有时当等离子体发射源的沉积罩严重污染时，为了更换相关的沉积罩或拆卸加以清洗（使用混合了异丙醇C3H7OH的喷沙&超声波清洗）。
以下的步骤显示了如何拆卸沉积罩
（1）使用真空吸尘器将所有微粒清除干净
（2）使用特殊的工具将沉积罩的固定器旋转90度（这种方法下的沉积罩的固定器和固定槽是上下位置的）
图14：
防护罩固定器专用的特殊工具（左图）设备维护和工艺操作时的位置
（3）向上拆开沉积罩
（4）清洗或更换新的沉积罩，（见等离子体发射源操作手册之备配件）
（注意！
清洗沉积罩时所选择的喷沙压力要适中，不得使沉积罩发生弯曲。
）
（5）之后，使用抹布和异丙醇清除所有的微粒
1.3
等离子体发射源的清洗
等离子体发射源需要定期维护，特别是出气口的气孔会附着物质。
以下步骤显示如何清洗等离子体发射源和气体吹淋口。
（1）使用真空吸尘器将所有微粒清除干净
（2）使用金属线刷或砂纸清洗严重污染的不能拆卸的部件，使用真空吸尘器清除过程中产生的灰尘。
（3）每天检查气体吹淋口所有的气孔（1mm直径）是否通畅，如果有堵塞，使用1mm的钻孔机或针头刺透气孔。
（4）如果情况较为严重，需要松开气体吹淋头的固定螺丝将其拆卸，气体连接部分另外清洗或加以更换。
图15：
关闭的氨气吹淋喷头孔（左图）部分关闭的硅烷气体吹淋喷头孔（右图）
（5）之后，使用真空吸尘器清洗气体吹淋口
（6）将气体吹淋头末端的M6螺丝打开
（7）从外向内用压缩气体将气体吹淋头内部的灰尘吹出或者从内向外用纯氮气吹出灰尘
（8）使用真空吸尘器清洗一侧的表面法兰盘并用抹布和异丙醇密封表面
（注意！
卡口锁定连接器和法兰盘之间的尺寸咬合公差只有0.1—0.2mm。
）
（9）如果层从卡口锁定架或横向工艺仓罩上脱落将会导致擦伤和损伤卡口锁定装置和法兰盘
图16：
工艺反应仓仓壁上的微波发射头法兰接口
1.4沉积罩的替换
替换新的或清洗过的沉积罩的步骤与5.2中拆卸沉积罩的步骤相反。
1.5玻璃石英管的替换
替换玻璃石英管需要按照以下步骤拆卸多个密封件和固定件，将它们按照正确的顺序安装在新的石英管（规格见表4）上。
图17：
所有装配部件的正确顺序
表3列出的是所有附件的功能
部件
描述
功能
A
卡口锁定式机械装置
快速释放装置，将力传到至密封套件
B
铝制环型止推轴ThrustCollar
保持卡口锁定装置向密封套件传送的力比较均衡一致
C
聚四氟乙烯PTFEThrustCollar
当卡口锁定装置旋转时防止扭矩力传送到石英管上引起扭曲
D
聚氯丁橡胶VitonO型密封圈
真空密封
E
聚四氟乙烯PTFE环型止推轴ThrustCollar
当卡口锁定装置旋转时防止扭矩力传送到石英管上引起扭曲
F
聚氯丁橡胶VitonO型密封圈
真空密封
G
玻璃石英管
向外传送微波能量
H
铜质内导轴
微波导体
I
聚四氟乙烯PTFE托盘
固定铜质内导轴
（注意，提供两种不同厚度的托盘以供不同长度的玻璃石英管使用）
K
铜罩
将所有部件罩住
L
聚氯丁橡胶VitonO型密封圈
真空密封
表3：
装配部件的功能表
（1）检查所有密封件是否适合真空操作（如果需要替换备配件）
（2）清洗后将所列出的部件插入铜罩中
图18：
铝质罩帽中的装配部件
（3）用异丙醇将石英管推入准备好的罩中
图19：
将石英管挤压进准备好的铝质罩帽
（4）将铜质内导轴插入并定位于聚四氟乙烯PTFE托盘的中心位置（PTFE托盘对于确保铜质内导轴在石英管内的中央位置是十分必要的）
图20：
完整的石英管的剖面图
（5）
将卡口锁定装置滑入石英管
图21：
准备好的微波传送系统
（6）用异丙醇将石英管的另一端推入准备好的另一个铝制的罩帽中，同时将铜质内导轴插入并定位于另外一个聚四氟乙烯PTFE托盘的中心位置
图22：
完整的微波传送系统
表5列出的是推荐的石英管的规格
材料成分
100%SiO2
材料要求
低OH¯成分
无细微裂纹和气泡
处理
消除应力回火处理
管口火焰抛光
管子尺寸
长度SiNA=1130mm（公差：
±0.5mm）
外径=30mm（公差：
±0.5mm）
内径=26mm（公差：
±0.5mm）
表4：
石英玻璃管的规格
（7）按照5.1所描述相反的步骤安装玻璃石英管
（8）检查铝制罩帽端的法兰盘（23A）是否密封能够适应真空操作（如果需要就更换部件），并使用异丙醇清洗需要清洗的密封件。
图23：
带有环形封口的铝制罩帽
如果在等离子反应仓的仓壁上出现白色的氮化硅沉积物就说明出现了严重的泄露，图24显示的是SiNA系列中出现的泄露案例。
图24：
SiNA系统中卡口密封处作为气体泄露指示标志的SiO沉积层
&1.4.2生产用管式PECVD：
冷却系统的优点:
没有消耗净室空气
不同管间无热干涉
炉环境的温度没有被热空气所提升
空气运动（通风装置）没有使房间污染
噪音水平低
升级会员 