大面积SiNx薄膜PECVD生产设备

一、SiNx薄膜PECVD系统简介

半导体级氮化硅薄膜是20 世纪末随着大规模集成电路和高分辨率彩色液晶平面显示器的发展而研制成的关键半导体薄膜材料。近年被成功地应用到晶体硅光伏电池的结构中。它不但由于其高度透明性和合适的光折射率, 对入射光起到优良的减反射作用, 提高对阳光的利用率, 更为重要的是, 由于PECVD工艺的独特的物理化学过程, 材料内富含处于游离态的氢原子, 通过一定的热处理工艺, 这些氢原子会起到有效的中和晶体硅表面和体内结构缺陷的作用, 从而可显著提高晶体硅光伏电池光电转换效率，这是近年来非晶薄膜半导体材料与器件技术向常规晶体硅器件转移的成功范例。因此，氮化硅薄膜沉积系统已成为现代化的晶体硅光伏电池生产线的标准工艺和必备设备。该设备除了与集成电路一样对材料的性能有很高的要求外, 同时要求大面积, 高产能, 代表目前半导体设备的最高水平。

由于沉积SiNx薄膜的PECVD系统结构复杂并且特殊，它的批量化生产在过去很长一段时间内都困扰着研发人员和工作单位。在商业利益的驱逐下，直到最近才实现SiNx薄膜的批量生产设计。随之在使用的过程中不断的被改进。下面从几个方面说明本论文研究的大面积连续沉积SiNx薄膜的PECVD全自动制备系统的重要性和意义。

二、SiNx薄膜在单晶、多晶硅太阳电池当中的应用

在单晶硅太阳电池的制造中，其中最重要的工艺之一是在太阳电池的表面沉积上一层经济的减反射膜。这层膜不但可以起到减反射的作用，同时也可以对晶体硅表面起到钝化作用，对于多晶硅，在沉积的过程中大量的H原子进入到多晶硅体内，起到体内钝化的作用。近些年来，人们越来越清楚地认识到能在低温（250℃-450℃）条件下沉积SiNx薄膜的PECVD工艺，是沉积这层减反射膜的最佳工艺方法。这种工艺沉积的SiNx薄膜能够起到表面和体内钝化是一种独特的化合物，它不同于标准的太阳电池反射膜——TiO2和SiO2（注：这种标准的薄膜是在大气状态下用CVD的方法制作，但是它们不具备对晶体硅表面和体内的钝化作用，而且SiO2的折射率只有1.46，不符合太阳电池的最佳光学折射系数，而TiO2也不能起到表面的钝化作用）。

二.1 SiNx薄膜对晶体硅太阳电池的入射光的减反射作用

作为一种减反射膜, 氮化硅有着极好的光学性能(λ= 632.2nm 时折射率在1.8～2.5 之间, 而最理想的封装太阳电池减反射膜折射率在2.1～2.25之间)。采用氮化硅薄膜作为晶体硅太阳电池的减反射膜已经成为晶硅电池的常规工艺。地面太阳光谱能量的峰值在波长520nm , 而硅太阳电池的相对响应峰值在波长800～900nm, 故要求减反射膜对500～900nm 的光有最佳减反射效果。如果沉积的SiNx厚度为82nm，折射率为2.13，则吸收最强烈的光学波长应为d×n×4 = 82 ×2.13×4=698.64nm。它的反射光谱如图：

图2.1反射光谱图

由图2.1可看出, 此厚度的氮化硅薄膜对波长为500～900nm 的光反射率相当低, 最低值出现在700nm 左右, 减反射效果非常好。因此SiNx薄膜对硅太阳电池起到了很好的减反射效果，提高了电池的转换效率。

二.2 SiNx薄膜对太阳电池的钝化作用

硅材料中含有大量的杂质和缺陷,导致硅中少数载流子寿命及扩散长度降低 。为提高硅太阳电池的效率,首先必须对硅材料中具有电活性的缺陷进行钝化。近年来, PECVD 的钝化作用引起人们广泛的关注,它具有低温、高效率成本比等优点,并能一次性完成钝化和减反膜沉积。一系列的文献都报导了采用PECVD 方法能够降低硅材料表面复合速度, 最终提高电池的效率。

H 能钝化硅中缺陷的主要原因是H 能与Si 中的缺陷结合从而将禁带中的能态转入价带或者导带。在PECVD 沉积SiNx薄膜的过程中，虽然样品仅暴露在氢等离子体气氛中的时间很短，却能够渗入衬底并钝化体内的缺陷。这是因为对于生长速度快的Si 材料,其中的空位含量高,有利于H 的扩散;而表面损伤大的材料，其表面损伤可提高H 在材料中的可溶度,有利于H 对材料的钝化。所以B. L. Sopori 认为对于PECVD 过程,表面在一段时间内处于富氢的气氛中使表面成为富氢体。在随后的SiN 或SiO2 沉积过程中,几乎没有H 能到达Si 界面。沉积SiN 或SiO2 过程中会注入空位,那么硅表面大量的H ,在空位的辅助下, 迅速向硅体内扩散, 达到钝化的效果。

三、 PECVD沉积SiNx工艺原理

PECVD沉积SiNx薄膜是利用SiH4和NH3（或者混入适量的N2），通过等离子辉光放电，将SiH4 和NH3 分解，在硅片表面形成的SiNx薄膜。它的反应方程式如下：

        PECVD的优点是沉积温度低，一般在250℃到500℃之间，而APCVD和LPCVD只是单纯的依靠热激活，温度太低就无法激活气体分子，因此无法进行反应。而PECVD的最大优点是可以在低温下沉积，避免高温下气体杂质的再分布、晶片损坏以及金属铝线与Si 或SiO2 的作用。当在低压气体上施加一个射频电场时，其中少量的自由电子就可以在两次碰撞之间被电场加速而获得一定的能量。这种加速电子与气体分子或原子如SiH4、氧气、氮气等碰撞，可使之发生电离而产生二次电子、离子以及受激态的原子、分子。新生电子又可碰撞生长更多的电子、离子等。这种雪崩电离最终使气体成为等离子体。这些充满能量的反应物就会彼此在极板表面吸附。在被吸收后有很高的黏附系数，而且也很容易在基板表面上迁移，这两个因素使得沉积出来的薄膜有很好的一致性。这些被吸附到基板表面的激发原子团受到离子、电子的撞击，重新排列，并且和其它被吸附的反应物反应，形成新的键节，于是薄膜因此生成。

四、思博露的SiNx薄膜PECVD生产设备

PECVD薄膜沉积系统是思博露的核心产品之一，主要由公司的创始人（美籍）奚建平博士主持设计和开发。凭借二十多年的PECVD工程设计经验，我们对PECVD沉膜系统的设计已经运用自如，结合国内的实际情况，我们不断推出适合各个领域的薄膜沉积系统。

硅材料价格的不断上涨，导致了单晶、多晶常规太阳电池的利润空间不断的缩小。为了降低设备的投入成本，思博露根据国内常规太阳电池的实际情况推出了单室特大面积平板电极PECVD薄膜沉积系统。

这种系统以平板电极技术为核心，保持了平板电极PECVD系统沉积稳定、均匀性好、薄膜质量高, 产量大特点, 同时还有以下特点：

成  本  低-只有进口多室系统的1/4-1/3,与国产电感式设备在同一价位。

交货周期合理 -时间为9个月, 原则上可以减短为6个月以内。

设备 简 洁-由于单室运行，设备非常的简洁并且方便工人的操作，容易维护,符合中国光伏产业实际需要。

运行 稳 定-单室运行避免了多室运行真空内的传输问题，而且也节省了传输所花费的时间，提高了生产效率。

维护时间短-PECVD系统需要经常的对电极进行擦洗。设备本身的简洁，大大的缩短了维护的时间，从而提高了生产效率。

15 MW特大面积PECVD SiNx 薄膜沉积系统技术指标

电极总面积：2平米

每次沉积电池片数量：100片（125mm×125mm, 其余尺寸类推）

每天电池片数量：17640片（125mmx125mm, 每天以21小时计, 其余尺寸类推）

沉积温度：300℃-400℃

全自动沉积控制

人工装、卸片

主要部件全部采用国际最好的品牌,系统包括以下主要部件：

真空腔室一套（国内加工）

支架（国内加工）

真空测量系统（进口，产地美国）

控制系统（零部件进口，产地美国）

气路系统（零部件进口，采用美国）

加热系统（零部件进口，产地美国）

石墨电极（数量6套，进口，产地日本）

射频电源和匹配器（进口，产地德国）

沉积压力控制系统（进口，产地美国）

干泵和罗茨泵（进口，产地英国）

服务：

设备带有必要的配件

保证设备的工艺

提供一个星期的培训，培训人数2人。

在一年内免费提供维修工作。如必要，工作人员会尽快赶到现场进行维修。

思博露将用国际上最知名的零部件和最成熟的PECVD技术保证设备的质量，达到设备的最稳定运行，并且把设备的成本降到最低。