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【摘 要】对于硅片厚度较薄和较高电池效率的多晶电池领域，一种主要的趋势是减少硅片表面反射和降低多晶硅片表面的复合中心。本文提到的PECVD技术沉积的氮化硅膜被证实是一种非常有效的增强硅片表面钝化、降低多晶硅片表面反射的方法。氮化硅膜还具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能力, 氮化硅薄膜作为多晶硅太阳电池的减反射膜已被广泛应用。PECVD，等离子体增强化学气相沉积, 以硅烷、氨气和氮气为气源在多晶硅片上制备了具有减反射作用的氮化硅薄膜。在生产中，利用椭偏仪测量该薄膜的厚度和折射率。本文主要研究在多晶硅片上不同的工艺气体流量对氮化硅膜的膜厚和折射率的影响。
【关键词】钝化;折射率;氮化硅;减反射
0.前言
在光伏领域，提高电池效率的重要途径是降低硅片表面反射率、钝化硅片表面和内部的复合中心。在硅片表面沉积一层减反射膜成为业内越来越多的方法。沉积减反射膜的方法有很多种，例如大气压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD），本文研究的等离子增强化学气相沉积（PECVD）也是一种；它们各有优缺点，应用领域也各有不同。PECVD具有沉积温度低、沉积速率高、步阶覆盖性好等优点，缺点是存在粒子和化学污染，常用于低温绝缘体和钝化层。
近几年来，PECVD技术在设备上、工艺参数上都有了很大的改进，对电池效率提升起到了很大的作用。从薄膜的结构上来分，有单层膜、双层膜及多层膜。这里仅介绍双层膜概念，第一层膜也就是基膜，这层膜主要作用是用来钝化硅片表面，因此在镀这层膜时要适当加大硅烷的流量，来提高基膜的折射率及致密性以达到很好的钝化效果。第二层膜是硅片表面直接接收光子的一层膜, 适当降低折射率，可以降低这层膜反射率,同时增强了对光的吸收效果。
PECVD以硅烷、氨气和氮气为气源在多晶硅片上制备了具有减反射和钝化硅片表面、内部作用的氮化硅薄膜。薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。
本文以大规模生产中多晶硅片表面沉积双层氮化硅薄膜为基础，通过改变气体流量、气体比例，分析对氮化硅的膜厚和折射率的影响。
1.实验
1.1实验准备
选用电阻率0.5-2欧姆厘米，尺寸156*156的P型多晶硅片，先后经过酸制绒、磷扩散、湿法刻蚀完成多晶硅片表面绒面、PN结、隔断硅片上下表面N型层的制备。
1.2设备采用德国Roth&Rau的平板系统
高频信号发生的频率是2.45GHz，所用气体为高纯氨和氮气、高纯硅烷,实验时气体直接通入反应腔室内, 主要反应气体是氨气和硅烷, 氮气主要用来调节设备内部的真空度和稀释尾气中的硅烷。装有硅片的石墨舟会以一定的传输速度逐一进入装载腔室、工艺腔室、缷载腔室，完成氮化硅薄膜的制备。
1.3氮化硅膜的检测
SENTECH椭偏仪SE400，激光椭偏仪，多角度入射，对薄膜厚度和折射率进行最精确的测量。
1.4实验过程
通过改变沉积每层膜的气体比例、气体流量，通过调整传输速度保证氮化硅膜的总厚度在88-89nm范围内。选取石墨舟上同一位置的5片沉积有氮化硅膜的硅片测量该膜的膜厚和折射率。总膜厚和总折射率分别是第一层膜的厚度与第二层膜的厚度、折射率之和。本次实验共有4组。
第一组：按不同的气体比例分成6批，降低第一层和增加第二层膜的气体比例。
第二组：第一层膜保证比例不变，逐步同时增加硅烷和氨气的流量，第二层膜的气体流量和比例保持不变。
第三组：第一层膜气体流量和比例保持不变，第二层膜保证气体比例不变，逐步增加硅烷和氨气的气体流量。
第四组：保证第一层和第二层膜气体烷比例不变。降低第一层膜的氨气和硅烷气体流量，同时增加第二层膜的氨气和硅烷气体流量。
2.实验结果
2.1第一组
本组实验共6批，通过调整传输速度，控制第一层膜厚与第二层膜厚之和即总膜厚变化范围在1nm以內，折射率呈上升趋势，增长幅度约0.06。传输速度逐渐减小，最快和最慢的速度差11cm/min。因第一层膜氨气与硅烷比例与第二层比例相比较小，硅烷流量改变一定量时，氨气会相应改变，变化幅度较第二层小很多，使得第一层膜中含硅量增加速度较快，沉积在硅片表面的薄膜富硅性越来越强，折射率增长速率很快，膜厚的生长速度减慢，只能降低传输速度保证膜厚基本不变。膜厚和折射率如下图：
2.2第二组
保证膜厚变化范围在1nm之内，传输速度略有增加，增加3个带速。增加第一层膜的气体流量，硅烷每增加一定量，氨气会略有增加，提高该层膜的增长速率，厚度和折射率略有增加，为保证膜厚提高传输速度，折射率呈小幅上升趋势，幅度约0.03。膜厚和折射率如下图：
2.3第三组
保证膜厚变化范围在在1nm之内，传输速度呈增快趋势，增加1.5个带速。保证第二层膜气体比例不变，同时增加氨气和硅烷基的气体流量，使得该层膜的膜厚和折射率增长速度逐渐变快，因第二层膜氨气与硅烷比例远远大于第一层膜，硅烷每增加一定量氨气将成倍增加，大大降低膜中硅的增长速度，也就是折射率的增长速度小于膜厚的增长速度，为保证膜厚提高速的同时折射率呈小幅下降趋势。膜厚和折射率如下图：
2.4第四组
降低第一层气体流量，硅烷减小，氨气会略有减小，膜厚的含硅量略有下降，膜厚生长速度略有增加；增加第二层气体流量，因氨气与硅烷比例较大，硅烷增加定量，氨气将成倍提高，大大加快了第二层膜厚的生长速度，确保总膜厚变化范围在1nm之内传输速度逐渐加快，折射率呈下降趋势，从2.17降到2.14。膜厚和折射率如下图：
3.结论
通过逐一改变每层的气体比例、流量，可以发现第一层和第二层膜氨气与硅烷的比例相差较大，硅烷每改变一定量，氨气改变值会有很大差异，大大影响了每层膜中的硅含量和厚度的生长速度。改变第一层膜气体比例和流量影响氮化硅膜的总折射率较大，随着氨气与硅烷的比例越来越小、气体流量越来越大，总折射率逐渐增加。改变第二层膜的气体比例和流量主要影响氮化硅膜的总膜厚，随着流量和氨气与硅烷比例的增加，氮化硅膜厚度明显增加，总折射率减小。
【参考文献】
［１］王福贞，马文存编著.气相沉积应用技术，机械工业出版社，2007.
［２］B.Hoex,High-rate Deposition of Silicon Nitride and Silicon Oxide Films for Surface Passsivation and (andti) reflection Coating Applications, PVSEC-15，2005.
［３］田民波，刘铸金编译.薄膜科学技术与手册，机械工业出版社，1991.
［４］吴自勤，王兵编著.薄膜生长，科学出版社，2001.
［５］勾宪芳，许颖，任丙彦，马丽芬编著.多晶硅太阳电池的氮化硅薄膜性能研究.河北工业大学学报.2005.
【关键词】钝化;折射率;氮化硅;减反射
0.前言
在光伏领域，提高电池效率的重要途径是降低硅片表面反射率、钝化硅片表面和内部的复合中心。在硅片表面沉积一层减反射膜成为业内越来越多的方法。沉积减反射膜的方法有很多种，例如大气压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD），本文研究的等离子增强化学气相沉积（PECVD）也是一种；它们各有优缺点，应用领域也各有不同。PECVD具有沉积温度低、沉积速率高、步阶覆盖性好等优点，缺点是存在粒子和化学污染，常用于低温绝缘体和钝化层。
近几年来，PECVD技术在设备上、工艺参数上都有了很大的改进，对电池效率提升起到了很大的作用。从薄膜的结构上来分，有单层膜、双层膜及多层膜。这里仅介绍双层膜概念，第一层膜也就是基膜，这层膜主要作用是用来钝化硅片表面，因此在镀这层膜时要适当加大硅烷的流量，来提高基膜的折射率及致密性以达到很好的钝化效果。第二层膜是硅片表面直接接收光子的一层膜, 适当降低折射率，可以降低这层膜反射率,同时增强了对光的吸收效果。
PECVD以硅烷、氨气和氮气为气源在多晶硅片上制备了具有减反射和钝化硅片表面、内部作用的氮化硅薄膜。薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。
本文以大规模生产中多晶硅片表面沉积双层氮化硅薄膜为基础，通过改变气体流量、气体比例，分析对氮化硅的膜厚和折射率的影响。
1.实验
1.1实验准备
选用电阻率0.5-2欧姆厘米，尺寸156*156的P型多晶硅片，先后经过酸制绒、磷扩散、湿法刻蚀完成多晶硅片表面绒面、PN结、隔断硅片上下表面N型层的制备。
1.2设备采用德国Roth&Rau的平板系统
高频信号发生的频率是2.45GHz，所用气体为高纯氨和氮气、高纯硅烷,实验时气体直接通入反应腔室内, 主要反应气体是氨气和硅烷, 氮气主要用来调节设备内部的真空度和稀释尾气中的硅烷。装有硅片的石墨舟会以一定的传输速度逐一进入装载腔室、工艺腔室、缷载腔室，完成氮化硅薄膜的制备。
1.3氮化硅膜的检测
SENTECH椭偏仪SE400，激光椭偏仪，多角度入射，对薄膜厚度和折射率进行最精确的测量。
1.4实验过程
通过改变沉积每层膜的气体比例、气体流量，通过调整传输速度保证氮化硅膜的总厚度在88-89nm范围内。选取石墨舟上同一位置的5片沉积有氮化硅膜的硅片测量该膜的膜厚和折射率。总膜厚和总折射率分别是第一层膜的厚度与第二层膜的厚度、折射率之和。本次实验共有4组。
第一组：按不同的气体比例分成6批，降低第一层和增加第二层膜的气体比例。
第二组：第一层膜保证比例不变，逐步同时增加硅烷和氨气的流量，第二层膜的气体流量和比例保持不变。
第三组：第一层膜气体流量和比例保持不变，第二层膜保证气体比例不变，逐步增加硅烷和氨气的气体流量。
第四组：保证第一层和第二层膜气体烷比例不变。降低第一层膜的氨气和硅烷气体流量，同时增加第二层膜的氨气和硅烷气体流量。
2.实验结果
2.1第一组
本组实验共6批，通过调整传输速度，控制第一层膜厚与第二层膜厚之和即总膜厚变化范围在1nm以內，折射率呈上升趋势，增长幅度约0.06。传输速度逐渐减小，最快和最慢的速度差11cm/min。因第一层膜氨气与硅烷比例与第二层比例相比较小，硅烷流量改变一定量时，氨气会相应改变，变化幅度较第二层小很多，使得第一层膜中含硅量增加速度较快，沉积在硅片表面的薄膜富硅性越来越强，折射率增长速率很快，膜厚的生长速度减慢，只能降低传输速度保证膜厚基本不变。膜厚和折射率如下图：
2.2第二组
保证膜厚变化范围在1nm之内，传输速度略有增加，增加3个带速。增加第一层膜的气体流量，硅烷每增加一定量，氨气会略有增加，提高该层膜的增长速率，厚度和折射率略有增加，为保证膜厚提高传输速度，折射率呈小幅上升趋势，幅度约0.03。膜厚和折射率如下图：
2.3第三组
保证膜厚变化范围在在1nm之内，传输速度呈增快趋势，增加1.5个带速。保证第二层膜气体比例不变，同时增加氨气和硅烷基的气体流量，使得该层膜的膜厚和折射率增长速度逐渐变快，因第二层膜氨气与硅烷比例远远大于第一层膜，硅烷每增加一定量氨气将成倍增加，大大降低膜中硅的增长速度，也就是折射率的增长速度小于膜厚的增长速度，为保证膜厚提高速的同时折射率呈小幅下降趋势。膜厚和折射率如下图：
2.4第四组
降低第一层气体流量，硅烷减小，氨气会略有减小，膜厚的含硅量略有下降，膜厚生长速度略有增加；增加第二层气体流量，因氨气与硅烷比例较大，硅烷增加定量，氨气将成倍提高，大大加快了第二层膜厚的生长速度，确保总膜厚变化范围在1nm之内传输速度逐渐加快，折射率呈下降趋势，从2.17降到2.14。膜厚和折射率如下图：
3.结论
通过逐一改变每层的气体比例、流量，可以发现第一层和第二层膜氨气与硅烷的比例相差较大，硅烷每改变一定量，氨气改变值会有很大差异，大大影响了每层膜中的硅含量和厚度的生长速度。改变第一层膜气体比例和流量影响氮化硅膜的总折射率较大，随着氨气与硅烷的比例越来越小、气体流量越来越大，总折射率逐渐增加。改变第二层膜的气体比例和流量主要影响氮化硅膜的总膜厚，随着流量和氨气与硅烷比例的增加，氮化硅膜厚度明显增加，总折射率减小。
【参考文献】
［１］王福贞，马文存编著.气相沉积应用技术，机械工业出版社，2007.
［２］B.Hoex,High-rate Deposition of Silicon Nitride and Silicon Oxide Films for Surface Passsivation and (andti) reflection Coating Applications, PVSEC-15，2005.
［３］田民波，刘铸金编译.薄膜科学技术与手册，机械工业出版社，1991.
［４］吴自勤，王兵编著.薄膜生长，科学出版社，2001.
［５］勾宪芳，许颖，任丙彦，马丽芬编著.多晶硅太阳电池的氮化硅薄膜性能研究.河北工业大学学报.2005.