在升级冶金级硅衬底上用ECR-PECVD沉积多晶硅薄膜

摘要

尽管目前光伏电池市场85％以上仍被体硅太阳能电池所占据，并且其组件也正在变得更便宜以及更高效，然而价格因素仍然是其发展的重要障碍，而一半以上的价格又源于其基片。基片的制备既耗材料又耗能源，降价空间很小，又由于当前能源紧缺的状态，这一问题将会被放大。薄膜电池技术由于耗材料较少，相应的耗能也少，同时由于可以大面积沉积等，薄膜电池有望在不久的将来逐步取代体硅电池而转移到工业生产中。 2004年，欧盟5个晶体硅薄膜研究开发项目组提出了一项规划，该规划认为“外延组件等价物”是最接近于工业实际的晶体硅薄膜技术路线。“外延组件等价物”即外延沉积硅层到低成本硅片上。由于其电池结构与传统体硅电池类似，因而该技术路线仅需一步硅外延，其余工艺路线可与现在大部分工业生产电池的设备技术兼容，有利于降低成本。 国外研究者已经在单晶硅及高质量多晶硅衬底(籽晶层)上用ECR-PECVD作了初步尝试。然而迄今为止，未有在低成本硅上用ECR-PECVD方法外延沉积硅层的相关报道。国内也曾有过在颗粒硅带上用射频PECVD沉积薄膜的尝试，认为：颗粒硅带用PECVD不易结晶，PECVD不适合沉积多晶硅薄膜。 本文首次采用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积方法(ECR-PECVD)在175℃低温下在升级冶金级硅上沉积出了优质多晶硅薄膜；探讨了各可控工艺参数及其相互作用对多晶硅薄膜质量的影响并提出了自己的假设，最后通过实验验证了这一假设。具体内容及相关结论如下： 1) 作者通过EPMA、SEM、XRD、表面轮廓仪深入剖析了原始升级冶金级硅片，了解了其纯度，杂质含量情况，表面形貌，晶粒大小、取向，以及表面粗糙度。同时对清洗工艺进行了探索，认为cp133清洗效果最好。在此基础上，通过正交试验作者成功的在该种衬底上沉积得到晶态石英薄膜。并通过试验数据分析认为功率与流量比(F(O<,2>)/F(SiH<,4>))的组合是决定薄膜质量的因素，其作用远大于独立的各个因素。 2)通过对整个薄膜制备理论的各个过程、阶段的深入剖析，本文在升级冶金级硅衬底上用ECR-PECVD沉积多晶硅薄膜方面做了开创性的摸索工作。通过正交试验分析得出结论：功率与流量比(Fr-F(H<,2>)/F(SiH<,4>))的组合决定薄膜质量优劣，从单个因素来看，功率对薄膜质量影响最大，流量比次之，温度对薄膜质量的影响相对不明显。 3) 基于对高速沉积的追求，以及了解温度、流量比的相互作用，设计了新一轮试验，在高压1Pa(相对于本系统)，固定功率为600w探讨温度、流量比的交互作用。发现特定温度下有特定的最佳流量比；随温度降低该最佳流量比变小；同时结晶质量随温度降低变好；认为在此高压下二次气相反应不容忽视，这是使薄膜质量下降的一个重要原因，温度通过热激活对表面反应动力学产生重要影响。多数薄膜体现出(111)强织构现象，作者认为是一种孪晶辅助生长模式。高温长时间沉积，O、C扩散不容忽视。基于对初步验证试验的分析认为，低压条件下容易得到更高质量的薄膜。 4)基于外延高质量薄膜的追求，尝试在低压低温固定为175℃条件下沉积多晶硅薄膜。在此温度下成功得到高质量准外延薄膜。并发现每一气压都对应着一个最佳流量比：0.16Pa对应10/5；0.4Pa对应10/6.8。随气压升高该最佳流量比降低。 5)基于对上述试验结果的分析，为给试验结果以更合理的解释，作者对沉积过程的各可控工艺参数进行了细致的分析和总结，并由此提出假设，将薄膜制备过程分为两个连续的阶段：气相反应及表面反应。假设：气相反应决定薄膜质量，某功率条件对应一最佳气压条件。在该气压条件下，气相反应过程又由功率与流量比的组合搭配决定。这两者的匹配可在低温下制备高质量薄膜；高温最佳工艺条件对应较低的薄膜质量。 6)作者通过试验两组沉积试验及对试验的分析验证了上述假设。并通过Langmuir探针测各工艺参数下电子数密度的方法进一步肯定了这个假设。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1ECR-PECVD设备及薄膜测试分析方法介绍

1.1ECR-PECVD设备简介

1.1.1ECR等离子体产生机理

1.1.2腔耦合磁多极ECR等离子体源的结构

1.2测试分析方法简介

1.2.1RAMAN光谱分析

1.2.2电子探针:X射线波谱分析

1.2.3Langmuir探针测等离子体参数:电子数密度测量。

1.2.4扫描电子显微镜(SEM)

1.2.5XRD谱

1.2.6RHEED

2基片基本信息、清洗工艺及阻挡层SiOx沉积工艺摸索

2.1基片性能测试分析

2.1.1原始样品纯度

2.1.2原始样品表面形貌

2.1.3原始样品晶粒大小及取向

2.1.3原始样品表面粗糙度

2.2清洗工艺选择

2.3沉积SiOx薄膜试验

3薄膜沉积过程原理及在升级冶金级硅衬底上用ECR-PECVD沉积多晶硅薄膜

3.1薄膜沉积过程基本原理及在UMG-Si上沉积多晶硅的初步工艺探索

3.1.1薄膜沉积过程基本原理

3.1.2在升级冶金级硅衬底上用ECR-PECVD沉积多晶硅薄膜初探

3.2薄膜高压沉积工艺参数摸索

3.3多晶硅薄膜准外延生长探索

3.4本章小结

4验证试验及可控参数相关规律总结

4.1可控参数总结及假设提出

4.2温度、流量比对薄膜质量的影响

4.3低温条件下,功率与流量比匹配试验

4.4Langmuir探针测等离子体参数:电子数密度测量

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢