在升級冶金級硅襯底上用ECR-PECVD沉積多晶硅薄膜.pdf

1、盡管目前光伏電池市場85％以上仍被體硅太陽能電池所占據(jù)，并且其組件也正在變得更便宜以及更高效，然而價格因素仍然是其發(fā)展的重要障礙，而一半以上的價格又源于其基片。基片的制備既耗材料又耗能源，降價空間很小，又由于當(dāng)前能源緊缺的狀態(tài)，這一問題將會被放大。薄膜電池技術(shù)由于耗材料較少，相應(yīng)的耗能也少，同時由于可以大面積沉積等，薄膜電池有望在不久的將來逐步取代體硅電池而轉(zhuǎn)移到工業(yè)生產(chǎn)中。 2004年，歐盟5個晶體硅薄膜研究開發(fā)項目組提出了一

2、項規(guī)劃，該規(guī)劃認(rèn)為“外延組件等價物”是最接近于工業(yè)實際的晶體硅薄膜技術(shù)路線?！巴庋咏M件等價物”即外延沉積硅層到低成本硅片上。由于其電池結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)體硅電池類似，因而該技術(shù)路線僅需一步硅外延，其余工藝路線可與現(xiàn)在大部分工業(yè)生產(chǎn)電池的設(shè)備技術(shù)兼容，有利于降低成本。 國外研究者已經(jīng)在單晶硅及高質(zhì)量多晶硅襯底(籽晶層)上用ECR-PECVD作了初步嘗試。然而迄今為止，未有在低成本硅上用ECR-PECVD方法外延沉積硅層的相關(guān)報道。國內(nèi)也曾

3、有過在顆粒硅帶上用射頻PECVD沉積薄膜的嘗試，認(rèn)為：顆粒硅帶用PECVD不易結(jié)晶，PECVD不適合沉積多晶硅薄膜。 本文首次采用電子回旋共振等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法(ECR-PECVD)在175℃低溫下在升級冶金級硅上沉積出了優(yōu)質(zhì)多晶硅薄膜；探討了各可控工藝參數(shù)及其相互作用對多晶硅薄膜質(zhì)量的影響并提出了自己的假設(shè)，最后通過實驗驗證了這一假設(shè)。具體內(nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下： 1) 作者通過EPMA、SEM、XRD、表面輪廓

4、儀深入剖析了原始升級冶金級硅片，了解了其純度，雜質(zhì)含量情況，表面形貌，晶粒大小、取向，以及表面粗糙度。同時對清洗工藝進(jìn)行了探索，認(rèn)為cp133清洗效果最好。在此基礎(chǔ)上，通過正交試驗作者成功的在該種襯底上沉積得到晶態(tài)石英薄膜。并通過試驗數(shù)據(jù)分析認(rèn)為功率與流量比(F(O<,2>)/F(SiH<,4>))的組合是決定薄膜質(zhì)量的因素，其作用遠(yuǎn)大于獨立的各個因素。 2)通過對整個薄膜制備理論的各個過程、階段的深入剖析，本文在升級冶金級硅襯

5、底上用ECR-PECVD沉積多晶硅薄膜方面做了開創(chuàng)性的摸索工作。通過正交試驗分析得出結(jié)論：功率與流量比(Fr-F(H<,2>)/F(SiH<,4>))的組合決定薄膜質(zhì)量優(yōu)劣，從單個因素來看，功率對薄膜質(zhì)量影響最大，流量比次之，溫度對薄膜質(zhì)量的影響相對不明顯。 3) 基于對高速沉積的追求，以及了解溫度、流量比的相互作用，設(shè)計了新一輪試驗，在高壓1Pa(相對于本系統(tǒng))，固定功率為600w探討溫度、流量比的交互作用。發(fā)現(xiàn)特定溫度下有特

6、定的最佳流量比；隨溫度降低該最佳流量比變??；同時結(jié)晶質(zhì)量隨溫度降低變好；認(rèn)為在此高壓下二次氣相反應(yīng)不容忽視，這是使薄膜質(zhì)量下降的一個重要原因，溫度通過熱激活對表面反應(yīng)動力學(xué)產(chǎn)生重要影響。多數(shù)薄膜體現(xiàn)出(111)強(qiáng)織構(gòu)現(xiàn)象，作者認(rèn)為是一種孿晶輔助生長模式。高溫長時間沉積，O、C擴(kuò)散不容忽視?；趯Τ醪津炞C試驗的分析認(rèn)為，低壓條件下容易得到更高質(zhì)量的薄膜。 4)基于外延高質(zhì)量薄膜的追求，嘗試在低壓低溫固定為175℃條件下沉積多晶硅薄

7、膜。在此溫度下成功得到高質(zhì)量準(zhǔn)外延薄膜。并發(fā)現(xiàn)每一氣壓都對應(yīng)著一個最佳流量比：0.16Pa對應(yīng)10/5；0.4Pa對應(yīng)10/6.8。隨氣壓升高該最佳流量比降低。 5)基于對上述試驗結(jié)果的分析，為給試驗結(jié)果以更合理的解釋，作者對沉積過程的各可控工藝參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的分析和總結(jié)，并由此提出假設(shè)，將薄膜制備過程分為兩個連續(xù)的階段：氣相反應(yīng)及表面反應(yīng)。假設(shè)：氣相反應(yīng)決定薄膜質(zhì)量，某功率條件對應(yīng)一最佳氣壓條件。在該氣壓條件下，氣相反應(yīng)過程又