無氫硅烷常壓化學氣相沉積SiOx薄膜在晶體硅太陽能電池制造中的應用

趙 毅

(山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030000)

引 言

常壓化學氣相沉積(APCVD)是CVD技術中最古老、應用最廣泛的方法之一。由于沒有真空系統的簡單性，以及高達500 nm/min的相對較高的沉積速率，它被認為是與等離子體增強CVD(PECVD)和低壓CVD相比最經濟的沉積技術之一[1-2]。

在實際應用中，環境壓力下的CVD技術可以用于在25 ℃～500 ℃的工作溫度下合成大量的固體薄膜材料，如金屬和有機或無機基成分。在硅太陽能電池制造中，這種薄膜可以用作增透涂層(TiOx)和表面鈍化層(AlOx)。采用APCVD技術制備了其他薄膜材料，如摻錫氧化銦(ITO)、摻錫和氟氧化銦和氧化鋅。

1 常壓化學氣相沉積系統(APCVD)

建立了APCVD系統實驗室系統。由于它的操作是在室溫下，APCVD系統完全由塑料組件，如聚碳酸酯。其他部件是通過3D打印技術，也可以采用熔融沉積建模，利用聚乳酸和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的熱塑性物質制造的。3D打印的使用使APCVD系統的靈活設計成為可能。因此，試樣支架采用平面聚碳酸酯板制作，使其上部與基材之間的縫隙基本消除。反應氣體無法進入基片與板之間的間隙，從而避免了SiOx在基片底面的沉積。目前的APCVD工具每次只能處理一個6英寸寬的基片，但該技術非常適合用于高通量的內聯工具。

2 實驗平臺搭建

采用三組樣品對APCVD SiOx中的結構缺陷進行了研究電影及其耐久性。由于這些薄膜的預期應用不在表面鈍化，因此沒有研究界面上的電氣缺陷。在一組實驗中，研究了薄膜厚度對其微觀結構和與硅片表面幾乎原子平面化的界面的影響。RCA清理完后，將80 nm～800 nm厚的APCVD SiOx薄膜沉積在面積為2 cm×2 cm的閃亮的浮子區(FZ)硅晶片上。在另一組樣品中，用APCVD SiOx涂層不同的表面結構以檢查薄膜與各種應用程序的兼容性。研究了3組2 cm×2 cm的大樣本：

1) 堿性織構單晶硅晶片。

2) 堿性織構和ITO涂層單晶硅晶圓片。

3組樣品分別用大約115 nm～130 nm厚的APCVD SiOx進行涂層電影。由于APCVD腔室適用于6英寸大的襯底，因此每組中的一塊硅片被放置在APCVD工具中，并在一次運行中同時對3個硅片進行涂層。

在第三組樣品中，研究了退火對蝕刻劑穩定性的影響。2 cm×2 cm大的閃亮蝕刻和RCA清洗的FZ硅晶片被涂上約90 nm厚的APCVD SiOx薄膜。包覆樣品分為3組：第一組作為參照，不做退火處理，第2組在150 ℃退火1 min，第3組在300 ℃退火1 min。退火是在室溫下在熱板上進行的。將APCVD SiOx薄膜在1.5% KOH和1% HF(質量分數)溶液中的腐蝕速率與未退火樣品進行比較，以找到耐受腐蝕溶液的最低適當溫度。

3 結果及分析

3.1 膜的質量

在SiOx涂層的光滑Ge晶片上進行的EDX分析顯示了3種主要元素:Si、O和Ge以及少量的C(可能是由于處理造成的污染)，如圖1所示。O-to-Si原子比例計算的光譜和沉積樣品1.82和1.93的樣品退火在300 ℃的測量誤差1 min。O和Si原子濃度增加,從而導致高誤差O-to-Si原子比率約為±20%。

圖1 EDX光譜顯示SiOx元素分析

退火測試后，所有沉積的薄膜保持光滑和致密，未觀察到裂縫或剝落。然而，在150 ℃退火1 min后的樣品顯示出與參考樣品(未退火)相同的腐蝕速率。退火樣品的腐蝕率為300 ℃/min,相比于退火溫度≤150 ℃，從0.8 nm/s減少到0.3 nm/s,沉浸在1.5% KOH(質量分數)溶液中從4 nm/s降到1 nm/s，如圖2中所示。

3.2 應用

3.2.1 用于C-Si晶圓單面變形的APCVD SiOx掩膜

在APCVD SiOx涂層和單面織構晶圓的背面和正面以及雙面織構參考上測量了半球反射率。采用傳遞矩陣法進行了數值模擬，其厚度為84 nm C-Si上的SiOx薄膜和熱，SiOx的折射率和消光系數均已設定。從圖3中可以看出，在APCVD SiOx涂層樣品上的測量結果與參考晶片上的測量結果以及SiOx涂層背面的模擬曲線都吻合得很好。因此，在300 nm～1 000 nm波長范圍內，單面紋理晶圓的性能與傳統的雙面紋理晶圓相似。

圖2 測量的腐蝕速率與退火溫度的函數關系

圖3 APCVD SiOx前后半球反射率測量

這一過程的最后一個重要步驟是去除沉積的氧化膜，以便能夠進一步處理背面。這是用HF蝕刻完成的。由于APCVD的腐蝕速率是SiOx在300 ℃ 1 %(質量分數)，HF溶液中退火的薄膜為1 nm/s，在大約1.5 min內，上述樣品上84 nm厚的APCVD SiOx被完全蝕刻。

3.2.2 APCVD SiOx作為保護膜，防止寄生鍍在PERC太陽能電池上

APCVD SiOx可以均勻地沉積在156 mm×156 mm的大型太陽能電池上，測量的厚度均勻性為±5%。為了顯示APCVD SiOx作為抗寄生電鍍的掩膜效果，在沉積了SiOx局部上在激光開孔前涂覆PERC太陽能電池上，在正面接觸柵極上鍍HF。結果表明，在APCVD SiOx中PERC細胞正面的涂層區沒有發生寄生鍍層，沒有觀察到鍍金的劃痕或痕跡，金字塔完全沒有金屬顆粒。APCVD SiOx保護膜并沒有完全蝕刻在HF中，而HF是為了去除激光處理在柵極開孔中產生的薄SiO2而應用的。

4 結論

在室溫下制備了致密的APCVD-SiOx薄膜，沒有孔隙和結構缺陷。當需要抗腐蝕劑的穩定性時，退火溫度高達300 ℃是必要的。在本研究中，APCVD SiOx薄膜被用作防止堿性變形的保護涂層，允許C-Si晶圓的單側變形。在另一個應用中，它們在酸性電解質中充當電鍍掩膜。APCVD SiOx屏蔽膜覆蓋了SiNx結構缺陷和防止寄生沉積在正面的硅薄膜太陽能電池。