是什么造成了管式PECVD氮化硅膜出現(xiàn)色差？

隨著技術(shù)的不斷成熟，要求太陽(yáng)電池的質(zhì)量和外觀也越來(lái)越高。目前，常用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）法沉積氮化硅，在晶硅太陽(yáng)電池表面上一層小于100納米的薄膜，氮化硅薄膜作為一種重要的薄膜材料,具有優(yōu)良的光電性能、鈍化性能和機(jī)械性能。它不僅是優(yōu)良的太陽(yáng)電池減反射膜，而且還有很好的表面和體鈍化作用，能提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。在實(shí)際商業(yè)運(yùn)用中，用PECVD沉積氮化硅薄膜的技術(shù)已較為成熟，光伏太陽(yáng)電池行業(yè)廣泛使用板式PECVD和管式PECVD，但管式PECVD法制備的氮化硅薄膜色差問(wèn)題難以解決，色差會(huì)使太陽(yáng)電池的外觀不良，必須重新晶硅太陽(yáng)電池氮化硅膜產(chǎn)生色差的影響因素研究返工，使得生產(chǎn)成本高居不下。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

       準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)的材料和設(shè)備

1.2石墨舟的清洗和烘干
　　在清洗機(jī)中加入體積濃度為16%的HF溶液，再將石墨舟整舟放入清洗機(jī)中清洗，并開(kāi)啟鼓泡酸洗4小時(shí)，然后在水槽中清洗6小時(shí)。清洗結(jié)束之后，吹干石墨舟上的水分，然后在烘箱中150℃下烘8小時(shí)。烘干的石墨舟以備實(shí)驗(yàn)使用。
1.3鍍舟與鍍膜
　　承載硅片的石墨舟在給硅片鍍氮化硅膜之前，需要進(jìn)行飽和，即鍍舟。按照實(shí)驗(yàn)的要求設(shè)定鍍舟的條件，包括氣體流量、壓力、溫度、時(shí)間等條件。用飽和后的石墨舟承載硅片，按照實(shí)驗(yàn)的要求設(shè)定鍍膜工藝。

2.1氮化硅薄膜沉積原理與分析
　　等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法沉積薄膜的原理[2]如圖1，PECVD是一種射頻輝光放電的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)，在保持一定壓力的原料氣體中，輸入直流、高頻或微波功率，產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體

　　當(dāng)開(kāi)啟射頻電源時(shí)，在陰極和陽(yáng)極之間會(huì)產(chǎn)生高頻交變電場(chǎng)，電子在電場(chǎng)的加速下便獲得能量。當(dāng)這些電子和氣體中的原子或分子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，有可能發(fā)生電離產(chǎn)生二次電子，二次電子再進(jìn)一步和氣體中的原子或分子碰撞電離..如此反復(fù)進(jìn)行，產(chǎn)生大量的光子、電子、帶電離子、受激分子和原子或化學(xué)性質(zhì)十分活潑的活性基團(tuán)（如SiH,NH基團(tuán)），但其間正、負(fù)電荷總數(shù)處處相等。等離子體中的離子、分子、原子或活性基團(tuán)與周?chē)h(huán)境溫度相同，但其非平衡電子則由于質(zhì)量很小，平均溫度可比其他粒子大一至二個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通常要在高溫條件下才能實(shí)現(xiàn)的許多化學(xué)反應(yīng)，在低溫甚至室溫下也能實(shí)現(xiàn)。在淀積等離子體氮化硅時(shí)，并不是等離子體中所有SiH4和NH3的反應(yīng)都能生成理想的薄膜，只有表面反應(yīng)才能生成所需的薄膜?；钚曰鶊F(tuán)SiH和NH被傳輸?shù)交妆砻妫甙l(fā)生表面反應(yīng)生成Si-N網(wǎng)絡(luò)，其中還可能結(jié)合一定量的SiH和NH基團(tuán)

　晶硅太陽(yáng)電池表面氮化硅薄膜產(chǎn)生色差是由其表面不同區(qū)域的氮化硅顏色不同造成的。根據(jù)表1所示，厚度可由橢圓偏振儀精確測(cè)量，氮化硅薄膜的厚度和顏色有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在能夠估計(jì)厚度范圍的情況下，可根據(jù)氮化硅薄膜的顏色和表1中所列的顏色進(jìn)行比較，來(lái)確定氮化硅膜的大約厚度。

　2.2硅片表面均一性對(duì)氮化硅膜色差的影響
　　傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)工藝過(guò)程分別為清洗制絨、擴(kuò)散、刻蝕、PECVD、絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)等步驟，其中清洗制絨工藝將嚴(yán)重影響硅片表面的絨面的均一性。取兩片清洗制絨后硅片，在同一條件下進(jìn)行PECVD鍍氮化硅膜，片1的表面均一性較差，如圖2中a和b是片1的不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，a中有大量細(xì)小的線型腐蝕坑，使得片1的比表面積增大。雖然b的表面均一性較為好，但整體上片1的表面均一性較差；片2的表面均一性良好，如圖3，其絨面大小約2.13μm。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)PECVD沉積在片1表面的氮化硅薄膜產(chǎn)生了色差，即部分區(qū)域偏紅，部分區(qū)域偏白。這是由于同一條件下，反應(yīng)氣體流量相同，比表面積大的區(qū)域沉積的氮化硅厚度越小，而比表面積小的區(qū)域則反之。相比之下，片2表面均一性較好且無(wú)色差，如圖4?？梢?jiàn)，硅片表面微觀結(jié)構(gòu)差異較大會(huì)造成比表面積明顯差異，從而使氮化硅薄膜厚度產(chǎn)生顯著差異，表現(xiàn)出不同顏色，即色差。

2.3導(dǎo)電導(dǎo)熱性對(duì)氮化硅膜色差的影響
　　晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)過(guò)程中，管式PECVD是用石墨舟作為載體，將硅片送入爐內(nèi)的，硅片緊貼在石墨舟的舟葉內(nèi)壁，每片硅片有三個(gè)卡點(diǎn)作為支撐點(diǎn)，石墨舟如圖5?？c(diǎn)的作用除了支撐的作用以外，還有導(dǎo)電導(dǎo)熱的作用。因此，研究卡點(diǎn)的導(dǎo)電導(dǎo)熱性對(duì)氮化硅膜色差的影響十分必要。實(shí)驗(yàn)組的石墨舟使用舊卡點(diǎn)且?guī)в写罅康璞∧ぃ粚?duì)照組的石墨舟使用全新卡點(diǎn)，兩組實(shí)驗(yàn)為同一個(gè)石墨舟，卡點(diǎn)不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖

實(shí)驗(yàn)組的舊卡點(diǎn)導(dǎo)致的色差片數(shù)量明顯多于新卡點(diǎn)。舊卡點(diǎn)上帶有大量氮化硅膜層，使卡點(diǎn)的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能發(fā)生較大改變，原來(lái)的工藝難以匹配舊卡點(diǎn)。因此，舊卡點(diǎn)產(chǎn)生的色差片相對(duì)要多。

　2.4反應(yīng)溫度的均勻性對(duì)氮化硅膜色差的影響
　　管式PECVD爐管內(nèi)有5個(gè)溫區(qū)，控制著管內(nèi)溫度的穩(wěn)定性和氣體反應(yīng)溫度的穩(wěn)定性。為了研究反應(yīng)溫度的均勻性對(duì)氮化硅膜色差的影響，實(shí)驗(yàn)組鍍膜時(shí)的5個(gè)溫區(qū)分別為470℃、430℃、470℃、430℃、470℃；對(duì)照組鍍膜時(shí)的5個(gè)溫區(qū)分別為440℃、440℃、440℃、440℃、440℃。其他條件相同條件下，每組分別統(tǒng)計(jì)10舟，

進(jìn)一步研究色差片產(chǎn)生的原因發(fā)現(xiàn)，如圖7，爐管內(nèi)有5個(gè)溫區(qū)溫度高低不均，產(chǎn)生了大量的色差片，這個(gè)因素影響很明顯，因?yàn)闇囟葧?huì)影響氣體反應(yīng)速率，溫度高反應(yīng)劇烈，膜層生長(zhǎng)較快，溫度低反應(yīng)緩慢，膜層生長(zhǎng)較慢，所以同一硅片會(huì)產(chǎn)生色差，保證爐管內(nèi)溫度均一性非常重要。
　　2.5電場(chǎng)均勻性對(duì)氮化硅膜色差的影響
　　在石墨舟中相鄰的兩片舟葉之間通電后會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，氣體從舟葉之間流通時(shí)，含有不同電荷的離子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，并沉積在硅片和石墨舟葉上。為了研究電場(chǎng)均勻性對(duì)氮化硅膜色差的影響，我們用一個(gè)新舟和一個(gè)舊舟分別在同一個(gè)工藝以及爐管中進(jìn)行鍍膜，由此可以看出，舊舟的色差片數(shù)量明顯高于新舟，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，反復(fù)清洗，舊舟的舟葉表面的平整度比新舟要差。電場(chǎng)是有平行的兩葉舟葉通電后產(chǎn)生，那么當(dāng)舟葉表面的平整度發(fā)生變化時(shí)，電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生改變。因此，同一硅片的不同區(qū)域的氮化硅膜層生長(zhǎng)速度不同，從而產(chǎn)生色差。

　　在具體的生產(chǎn)中，還有很多其他因素會(huì)產(chǎn)生色差片，例如石墨舟的清洗情況、石墨舟的鍍舟情況以及單層膜和多層膜的工藝條件等等。采用PECVD鍍膜產(chǎn)生的情況較為復(fù)雜，需后來(lái)者進(jìn)一步研究與探討。

　　通過(guò)PECVD鍍膜原理的討論，以及后續(xù)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證得出以下結(jié)論。

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