多晶管式PECVD鍍膜均勻性的研究

摘 要：文章針對管式PECVD鍍氮化硅薄膜均勻性問題，從硅片厚度檢測、制絨成品檢測、PECVD工藝調整及石墨舟的使用四個方面對問題進行了分析。結果表明，硅片膜厚偏差在20 um范圍內，制絨成品的折射率在17.5%-18.5%之內，使用合理的PECVD工藝配方，及對石墨舟進行監控維護，可以解決鍍膜不均勻性問題。

關鍵詞：管式PECVD；鍍膜均勻性；石墨舟

中圖分類號：TB43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0051-02

采用PECVD制備的氮化硅薄膜，具有卓越的抗氧化和絕緣性能，同時具有良好的阻擋鈉離子、掩蔽金屬和水蒸汽擴散的能力；它的化學穩定性也很好，除氫氟酸能緩慢腐蝕外，其它酸與它基本不起作用。因此，PECVD制備的氮化硅薄膜在太陽能領域得到廣泛應用。但是由于管式PECVD 設備本身的性能，導致沉積的氮化硅膜均勻性相對平板式PECVD 要差一些，故對硅片和沉積工藝要求較高。在整線工藝中，和鍍膜均勻性相關的工藝主要有硅片檢測、清洗制絨及鍍減反射膜，故本文主要從以上三個工藝段進行研究。

1 實驗方案

實驗所用硅片為市售多晶P型硅片，面積為156×156 mm2，電阻率為1-3 ohm·cm，厚度為200 μm，使用Centrotherm制絨設備，Centrotherm管式PECVD設備及原廠配置石墨舟。

硅片的薄厚差異過大會引起鍍膜電場強度的不同，進而影響氮化硅膜在硅片上的沉積速率；硅片制絨后絨面的均勻性影響氮化硅薄膜的均勻性；PECVD生產工藝的氣體流量、反應壓強以及高頻功率等對氮化硅膜的均勻性都有一定的影響；作為鍍膜載體的石墨舟的維護清洗、卡點的磨損以及放置等都將影響氮化硅膜的均勻性。本論文利用Semilab WMT-3膜厚測量設備對硅片厚度進行檢測，利用反射率測試儀對制絨后的硅片進行表征，使用橢偏儀測量鍍膜后硅片的膜厚。

2 實驗結果及討論

2.1 硅片厚度檢測

對大量的色差片進行硅片厚度的測量，如表1所示是其中10片色差硅片的測量數據，

其中，TTV表示膜厚偏差，即最大測量膜厚值-最小測量膜厚值。結果表明，在同一硅片上，硅片厚度低于185 μm的區域，呈現紅色或黃褐色，與正常顏色藍色之間存在明顯的色差。對大量的色差片厚度進行測量分析發現，在同一硅片上，厚度偏薄區域顏色偏深，厚度偏厚區域顏色偏淺，隨著厚度差異越大，色差越嚴重，且顏色異常區域的位置和硅片在舟內的位置沒有直接關系。同時，跟蹤發現，并不是所有膜厚偏差大的硅片出現色差大現象，故硅片厚度不均不是引起色差的主要因素，這同文獻的研究結果相同。

在硅片檢測工藝段，將TTV控制在20 μm的范圍內，對鍍膜均勻性有一定的作用。

2.2 制絨成品檢測

選取三組晶花分布一致的硅片，每組20片，使用不同配比的制絨配方獲得不同的絨面，測試制絨后三組的反射率，三組制絨后硅片按后續工藝生產，經PECVD后利用橢偏儀測試膜厚，結果如表2所示：反射率越低，鍍膜后電池片平均膜厚越低，隨著反射率的增加，膜厚在增加。原因分析是反射率低對應制絨刻蝕坑多，導致有效表面積增大，相應鍍膜面積增多，故膜厚較薄，顏色較深。同時在實驗中發現，當平均反射率在18%，單片邊緣反射率低于17%的比例大于8%時，鍍膜后邊緣會出現暗紅色，且暗紅色區域和硅片在石墨舟中的放置方向沒有直接關系，如圖1所示：

故在生產中，除了控制制絨后成品的刻蝕深度之外，將其反射率控制在17.5%～18.5%的范圍內，可以減少PECVD鍍膜后的色差片。

2.3 PECVD工藝調整

工藝參數對氮化硅膜的沉積速率有著重要的影響。PECVD工段的工藝參數主要有：反應壓強，反應功率，脈沖頻率開關比，氣體流量比等，希望通過對這些參數的調整使石墨舟中的硅片在各位置的氣流、反應沉積速率一致。表3列出對工藝參數的調整及其鍍膜均勻性的效果：

經多次工藝配方試驗，效果較為明顯的是調節雙層膜的氣體流量比。說明上下兩層膜的匹配影響鍍膜的均勻性，故選擇合適的N/Si流量比可以改善色差問題。

2.4 石墨舟的使用

石墨舟是承載硅片的載體，也是氮化硅膜沉積的載體，石墨舟的狀態是否良好直接影響氮化硅膜的沉積均勻性。本文主要從以下兩方面對其進行分析：

2.4.1 石墨舟的使用

在PECVD的某個工藝爐管中，跟蹤兩個石墨舟的一個使用周期，得出使用次數及膜厚的關系圖，如圖2所示，在前5次的使用中，膜厚偏厚，在后20次的使用中，膜厚偏薄，表4列出了在一個使用周期內，兩個石墨舟的色差片出現數量，新舟較舊舟出現的色差片要少的多，主要原因是隨著石墨舟的使用次數的增加，舟片不平或者卡點的磨損等導致硅片在鍍膜的過程中不在同一水平面上，硅片在兩極之間距離不等，產生的電場強度不等，從而影響了各處氮化硅膜在硅片上的沉積速率，最終導致表面色差較多。根據圖表，對PECVD的工藝配方的沉積時間進行調整，即隨著石墨舟使用次數的增加，工藝配方使用不同的沉積時間，在一定程度上能夠緩解色差問題。同時選擇合適的石墨舟使用次數及保養周期也對解決色差問題有效果。

2.4.2 卡點的磨損

將使用半年的舊石墨舟清洗后，將一半的卡點進行全部更換，另外一半的卡點保留，飽和后投入生產，跟蹤3次，對稱抽取3片進行均勻性測量，表5列出了新卡點區域和舊卡點區域的硅片均勻性測量數據，對比可得，舊卡點區域鍍膜偏薄，標準偏差偏大，即均勻性差，故舊卡點磨損是導致色差的一個關鍵因素。根據石墨舟使用頻率定期對卡點進行更換，可以解決鍍膜均勻性問題。

3 結 論

通過對硅片厚度、制絨成品的檢測、PECVD工藝的調整及石墨舟使用情況進行跟蹤研究顯示，影響管式PECVD鍍膜均勻性的原因主要來自三個方面：其一，清洗制絨絨面的均勻性；其二，PECVD配方的選擇，其三，石墨舟卡點的磨損。硅片的平整度影響鍍膜均勻性，但不是引起色差的關鍵因素。

在太陽能電池大規模生產過程中，對來料的檢測和生產工序工藝的嚴格控制是保證高質量產品的前提條件，同時生產設備的維護及易耗品的及時更換是生產高質量產品的重要保障，因此需高度重視和嚴格執行。

參考文獻：

[1] 柳聰，蔣亞東，黎威志.真空退火對低頻PECVD氮化硅薄膜性能的影響[J].半導體光電，2011，33（1）.

[2] 趙永軍，王民娟，楊擁軍，等.PECVD SiNx薄膜應力的研究[J].半導體學報，1999，20（3）.

[3] 季靜佳.絨面技術在太陽能電池領域中的應用[J].太陽能研究與利用（增刊），2004，（48）.

[4] 張小盼，郭寶軍.管式PECVD硅片色差多的分析與探討[J].城市建設理論研究，2013，（22）.