PECVD工藝培訓(xùn)

1、PECVD工藝培訓(xùn)-韓金杉目錄PECVDPECVD定義定義PECVDPECVD原理原理PECVDPECVD的特點的特點PECVDPECVD的鍍膜作用的鍍膜作用PECVDPECVD的純化作用的純化作用影響影響PECVDPECVD鍍膜及異常分析鍍膜及異常分析PECVDPECVD安全安全PECVDPECVD ：是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體等離子體，而等離子化學(xué)活性很強，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。等離子體等離子體：氣體在一定條件下受到高能激發(fā)，發(fā)生電離，部分外層電子脫離原子核，形成電子、正離子和中性粒子混合組成的一種形態(tài)，這種形態(tài)就稱為等離子態(tài)。

2、PECVD定義PECVD原理PECVD技術(shù)原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電（或另加發(fā)熱體）使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。PECVD方法區(qū)別于其它CVD方法的特點在于等離子體中含有大量高能量的電子，它們可以提供化學(xué)氣相沉積過程所需的激活能。電子與氣相分子的碰撞可以促進氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程，生成活性很高的各種化學(xué)基團，因而顯著降低CVD薄膜沉積的溫度范圍，使得原來需要在高溫下才能進行的CVD過程得以在低溫實現(xiàn)。一般說來,采用PECVD 技術(shù)制備薄膜材料時，薄膜

3、的生長主要包含以下三個基本過程：l（一）在非平衡等離子體中，電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級反應(yīng)，使得反應(yīng)氣體發(fā)生分解，形成離子和活性基團的混合物；l（二）各種活性基團向薄膜生長表面和管壁擴散輸運，同時發(fā)生各反應(yīng)物之間的次級反應(yīng)；l（三）到達生長表面的各種初級反應(yīng)和次級反應(yīng)產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng)，同時伴隨有氣相分子物的再放出。|（一）（一）在輝光放電條件下，由于硅烷等離子體中的電子具有幾個ev 以上的能量，因此H2和SiH4受電子的碰撞會發(fā)生分解，此類反應(yīng)屬于初級反應(yīng)。若不考慮分解時的中間激發(fā)態(tài)，可以得到如下一些生成SiHm（m=0,1,2,3）與原子H 的離解反應(yīng)：e+SiH4SiH2+H2+e

4、(2.1)e+SiH4SiH2+H2+e (2.1)e+SiH4SiH3+H+e (2.2)e+SiH4SiH3+H+e (2.2)e+SiH4Si+2H2+e (2.3)e+SiH4Si+2H2+e (2.3)e+SiH4SiH+H2+H+e (2.4)e+SiH4SiH+H2+H+e (2.4)e+H22H+e (2.5)e+H22H+e (2.5)按照基態(tài)分子的標準生產(chǎn)熱計算，上述各離解過程(2.1)(2.5)所需的能量依次為2.1、4.1、4.4、5.9eV 和4.5eV。等離子體內(nèi)的高能量電子還能夠發(fā)生如下的電離反應(yīng)：e+SiH4SiH2e+SiH4SiH2+ +H2+2e (2.6

5、)+H2+2e (2.6)e+SiH4SiH3e+SiH4SiH3+ + H+2e (2.7)+ H+2e (2.7)e+SiH4Sie+SiH4Si+ +2H2+2e (2.8)+2H2+2e (2.8)e+SiH4SiHe+SiH4SiH+ +H2+H+2e (2.9)+H2+H+2e (2.9)以上各電離反應(yīng)(2.6)(2.9)需要的能量分別為11.9，12.3，13.6和15.3eV，由于反應(yīng)能量的差異，因此(2.1)(2.9)各反應(yīng)發(fā)生的幾率是極不均勻的。此外，隨反應(yīng)過程(2.1)(2.5)生成的SiHm也會發(fā)生下列的次級反應(yīng)而電離，例如SiH+eSiH+2e (2.10)SiH2+

6、eSiH2+2e (2.11)SiH3+eSiH3+2e (2.12)上述反應(yīng)如果借助于單電子過程進行，大約需要12eV 以上的能量。鑒于通常制備硅基薄膜的氣壓條件下（10100Pa）,電子密度約為1010cm-3的弱電離等離子體中10eV 以上的高能電子數(shù)目較少,累積電離的幾率一般也比激發(fā)幾率小。因此硅烷等離子體中，上述離化物的比例很小，SiHm的中性基團占支配地位，因為所需能量不同，SiHm的濃度按照SiH3,SiH2,Si,SiH 順序遞減。|（二）（二）除上述離解反應(yīng)和電離反應(yīng)之外，離子分子之間的次級反應(yīng)也很重要： SiH2+SiH4SiH3+SiH3 (2.13) 因此，就離子濃度而

7、言，SiH3+比SiH2+多。它可說明在通常的SiH4 等離子體中SiH3+離子比SiH2+離子多的原因。此外，還會發(fā)生由等離子體中氫原子奪取SiH4中氫的分子-原子碰撞反應(yīng)： H+ SiH4SiH3+H2 (2.14) 這是一個放熱反應(yīng)，也是形成乙硅烷Si2H6的前驅(qū)反應(yīng)。當然上述基團不僅僅處于基態(tài)，在等離子體中還會被激勵到激發(fā)態(tài)。對硅烷等離子體的發(fā)射光譜研究的結(jié)果表明，存在有 Si, SiH, H 等的光學(xué)允許躍遷激發(fā)態(tài)11,也存在SiH2,SiH3的振動激發(fā)態(tài)。|（三）（三）硅烷等離子體中的離化基團只是在低氣壓（510-3Torr）高電離的等離子體條件下才對薄膜沉積有顯著的貢獻，在一般硅

8、薄膜的沉積條件下，各種中性基團的含量遠遠大于離化基團， SiH4分解產(chǎn)生的中性基團是薄膜生長過程中最重要的活性物質(zhì)。由于薄膜生長表面的懸掛鍵通常都被H 鈍化，因此對于SiH2和SiH3等含氫的活性基團，表面反應(yīng)必須經(jīng)歷吸收成鍵與放氫過程，并且放氫是這種反應(yīng)中必不可少的過程。下面以SiH2說明這個過程： SiH2 + (Si-H) (Si-SiH3*) (2.17) (Si-SiH3*) (Si-SiH) + H2 (2.18) (Si-SiH) + (Si-H) (Si-Si-SiH2) (2.19) 其中，(17)式是生長表面的吸收成鍵過程，(18)式是放氫過程，(19)式是放氫后與鄰近的S

9、i-H 鍵結(jié)合構(gòu)成新的生長表面的過程。SiH3參與的過程與此相近，不同之處在于它被表面吸收的方式： (Si-H)+SiH3(Si-)+ SiH4 (2.20) (Si-)+SiH3 (Si-SiH3*) (2.21)首先，SiH3基團通過(2.20)式的反應(yīng)從鈍化表面Si-H 鍵中奪H，產(chǎn)生表面懸鍵 Si-。由于SiH3 基團有一個未配對的自旋，因此另外的SiH3 基團容易被生長表面的懸鍵Si-吸收，發(fā)生(2.21)式所示的表面吸收成鍵過程。隨后的放氫以及與 Si-Si 鍵合，同Si-H2基團沉積過程中的情況可以完全一樣，但是也更容易通過相鄰的(Si-SiH3*)之間的(Si-H)合并而實現(xiàn)。

10、管式管式PECVDPECVD具體方程式如下：具體方程式如下： SiH4 SiH2 + H2 SiH4 + NH3 SiH3NH2 + H2 NH3 - NH2 + H 接下來的反應(yīng)： SiH2 + NH3 Sih3NH2 Si H + SiH2 - Si Si + H2總反應(yīng)方程式： 3SiH4 + 4 NH3 - - Si3N4 +12H2實際上生成的是SixNy(該工藝采用等離子技術(shù)，在已生成P-N結(jié)的硅片上，用化學(xué)氣相沉積法涂一層氮化硅，稱為減反射膜，其效能是減少光的反射，增加光的透射，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率)氮化硅顏色與厚度的對照表氮化硅顏色與厚度的對照表顏色顏色厚度（厚度（nm）顏色顏

11、色厚度（厚度（nm）顏色顏色厚度（厚度（nm）硅本色硅本色0-20很淡藍色很淡藍色100-110藍藍 色色210-230褐褐 色色20-40硅硅 本本 色色110-120藍綠色藍綠色230-250黃褐色黃褐色40-50淡淡 黃黃 色色120-130淺綠色淺綠色250-280紅紅 色色55-73黃黃 色色130-150橙黃色橙黃色280-300深藍色深藍色73-77橙橙 黃黃 色色150-180紅紅 色色300-330藍藍 色色77-93紅紅 色色180-190淡藍色淡藍色93-100深深 紅紅 色色190-210 PECVD的特點的特點PECVD的一個基本特征是實現(xiàn)了薄膜沉積工藝的低溫化（45

12、0）因此帶來的好處：節(jié)省能源，降低成本提高產(chǎn)能減少高溫導(dǎo)致的硅片中少子壽命衰減 PECVD的鍍膜作用的鍍膜作用減少光反射提高電流密度防污染、防變色提高穩(wěn)定性氮化硅膜物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)：結(jié)構(gòu)致密，硬度大能抵御堿金屬離子的侵蝕介電強度高耐濕性好耐一般的酸堿，除HF和熱H3PO4氮化硅膜的優(yōu)點：優(yōu)良的表面鈍化效果高效的光學(xué)減反射性能（厚度和折射率匹配）低溫工藝（有效降低成本）含氫氮化硅膜可以對mc-Si提供體鈍化 PECVD的鈍化作用的鈍化作用減少在PECVD沉積氮化硅薄膜時，由于反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中含氫，一部分氫會保留在氮化硅薄膜中。在高溫過程中，這部分氫會從氮化硅薄膜中釋放，擴散到硅中，最終與懸掛鍵

13、結(jié)合，大大降低了缺陷能級，容易實現(xiàn)材料的價電子控制，起到鈍化作用。NH峰和SiH峰的強度越大，氫含量越多，起到的鈍化作用越強。在多晶硅太陽電池表面采用PECVD法鍍上一層氮化硅減反射膜，由于硅烷分解時產(chǎn)生氫離子，對多晶硅可產(chǎn)生氫鈍化的效果。 應(yīng)用PECVD Si3N4可使表面復(fù)合速度小于20cm/s，使硅片的少子壽命提高，從而能夠提高硅電池的質(zhì)量。 影響影響PECVD鍍膜及異常分析鍍膜及異常分析影響PECVD鍍膜效果的因素：沉積溫度：較高溫度稍提高沉積速率沉積時間：較高壓強較低的沉積速率氣體流量：較高氣流量較高的沉積速率氣體比例：更多SiH4 提高折射率射頻功率：較高的功率提高沉積速率溫度因素

14、溫度因素 氮化硅薄膜的生長速率隨溫度的升高先升高然后下降。一方面這是因為在PECVD 生長氮化硅薄膜的過程中,氣體的等離子體在基片表面沉積和揮發(fā)兩種機制同時進行,隨著溫度的升高,表面沉積量和揮發(fā)量都會升高;但是當溫度升高到一定值后,揮發(fā)量與表面沉積量之間的平衡被打破,揮發(fā)量大于表面沉積量,所以最終淀積到基片表面的速率會下降時間因素時間因素 沉積時間太短,膜厚及折射率達不到要求.時間太長,會造成工藝氣體的浪費,增加生產(chǎn)成本,同時也影響膜沉積的質(zhì)量.由于膜中都存在機械應(yīng)力問題,當膜厚過高時,薄膜就會開裂,甚至脫落.所以實際生產(chǎn)時,通過調(diào)整各種參數(shù)來選擇合適的沉積時間將膜厚控制80 85nm NH3

15、NH3與與SiH4SiH4流量比因素流量比因素 生長速率隨流量比的增加而增加,這是因為當NH3流量增加時,生長出的氮化硅中的H含量增加,薄膜中的Si - H鍵、N - H鍵含量增加,而使得氮化硅變得疏松,薄膜生長速率加快。Si/NSi/N比對膜性質(zhì)的影響比對膜性質(zhì)的影響氮化硅薄膜的折射率隨著SiH4N2/NH3 的流量比的增加而增大，這是由于硅含量逐漸增加所導(dǎo)致（富硅比富氮致密） 氮化硅薄膜的電阻率隨SiH4N2/NH3的流量比的增加而增加射頻功率因素射頻功率因素 氮化硅薄膜的生長速率隨射頻功率的增大先增大后減小。這是因為隨著射頻功率的增加, 反應(yīng)加速,生長速率增加;同時,射頻功率加大時,極板

16、間的電壓加大,對基板具有轟擊作用,把基片上的氮化硅薄膜打?qū)嵙?功率再進一步加大,就會出現(xiàn)類似“濺射”現(xiàn)象, 從而氮化硅薄膜的生長速率會有緩慢的下降。問題問題原因分析原因分析解決方案解決方案膜偏白硅片厚薄不均盡量放整齊硅片中間裂紋挑出明顯的裂紋鍍膜時間過長減少鍍膜時間氣體出現(xiàn)壓力偏差設(shè)備調(diào)整氣體流量選錯工藝號返工膜偏紅鍍膜時間過短增加鍍膜時間插片倒片，造成短路測量不良片膜厚，再確定補鍍時間氣體流量出現(xiàn)偏差設(shè)備調(diào)整氣體流量選錯工藝號回爐補鍍邊緣發(fā)紅、金黃新石墨舟或剛處理的石墨舟多做幾次即可石墨舟表面膜太厚停用此舟并安排酸洗膜面局部發(fā)紅舟預(yù)處理不當，局部的膜偏厚 停用此舟并安排酸洗片子彎曲挑出返工，

17、并反饋來料問題問題原因分析原因分析解決方案解決方案膜面邊角不規(guī)則發(fā)白片子彎曲挑出返工，并通知品質(zhì)來料絨面不良插片時發(fā)現(xiàn)及時挑出手指印插片時注意工藝衛(wèi)生意外沾上化學(xué)物，如NaOH插片時挑出，并及時通知前道工藝人員邊緣不規(guī)則發(fā)白、白線正面刻蝕過多調(diào)整刻蝕參數(shù)HF清洗不干凈或水紋調(diào)整酸液濃度及查看吹干效果邊緣規(guī)則發(fā)白、白線原材料邊角存在臟污現(xiàn)象將不合格硅片集中一起流或退庫HF槽液位低補液或換液膜面白色圓點未吹干調(diào)整風(fēng)刀角度有藥液殘留補液或換液表面雜質(zhì)吸附加強工序內(nèi)的工藝衛(wèi)生漏插插片時相對應(yīng)的沒有裝片插片注意彩虹片插片時造成碎片規(guī)范插片手法問題問題原因分析原因分析解決方案解決方案膜面局部發(fā)白制絨槽風(fēng)刀

18、堵住導(dǎo)致更換風(fēng)刀邊緣色斑印一清流下的片未吹干檢查酸洗脫水性和風(fēng)刀吹干效果石英舟不干凈停用己臟污的石英舟并安排清洗掉片員工插片不到位導(dǎo)致規(guī)范插片方法,上機前輕拍下石墨舟設(shè)備進出舟太快通知設(shè)備降低傳送速度鍍膜對電性能參數(shù)的影響鍍膜對電性能參數(shù)的影響Isc低減反效果差或純化效果差檢測膜厚及折射率是否在規(guī)定范圍內(nèi)Voc低純化差調(diào)整流量比,增加純化時間 PECVD 安全安全硅烷是一種易燃、易爆的特種氣體。該氣體通常與空氣接觸會引起燃燒并放出很濃的白色無定型二氧化硅煙霧。它對健康的首要危害是它自燃的火焰會引起嚴重的熱灼傷。如果嚴重甚至?xí)旅?。不要靠近，不要試圖在切斷氣源之前滅火。硅烷會刺激眼睛，吸入高濃度的硅烷會引起頭痛、惡心、頭暈并刺激上呼吸道。硅烷會刺激呼吸系統(tǒng)及粘膜。過度吸入硅烷會引起肺炎和腎病。分解產(chǎn)生無定型二氧化硅顆粒會引起皮膚刺激。緊急救助立即尋求醫(yī)療急救處理！眼睛接觸：應(yīng)立即用水沖洗至少15分鐘，水流不要太快，同時翻開眼瞼，并立即尋求眼科處理；吸入：將患者盡快移到空氣清新處，如有條件須進行輸氧或人工呼吸；皮膚接觸：用大量的水清洗至少15分鐘，脫掉已暴露在硅烷中被污染的衣服。如果患者有持續(xù)的刺激感或其他進一步的健康影響需立即進行醫(yī)療處理。 氨氣是一種刺激性、無色、可燃的儲存于鋼瓶的液化壓縮氣體。其存儲壓力為其蒸汽壓14psig(70)。當它在空