管式PECVD设备镀膜均匀性研究

代同光，李 拴，郭永刚，宋志成

（西安太阳能电力有限公司，陕西 西安710061）

0 引 言

随着晶硅太阳能单晶电池质量要求越来越高，对于过程质量控制要求越来越精细。提升过程镀膜均匀性，颜色外观一致性变得尤为重要。通过优化过程细节，可进一步改善镀膜均匀性，提升镀膜外观质量。

1 PECVD镀膜原理介绍

（1）技术原理：是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。

（2）化学方程式：3SiH4＋4NH3→Si3N4＋12H2↑

2 实验设计

2.1 实验内容

本文主要通过对管式PECVD设备工艺配方中反应压力、镀膜前预热的恒温时间、及制绒绒面的均匀性及石墨舟表面粗糙度等方面分别进行实验对比验证，并对综合优化后的因素进行综合对比。

2.2 实验设备、材料、实验方式、方法

CentrothermE2000HT410管式PECVD镀膜设备。石墨舟常规240规格石墨舟，Olympus OLS4000 3D显微镜，SE400adv激光椭偏仪，实验选用常规单晶M2硅片，在镀膜前进行充分分片。一半用常规工艺，一半采用改善工艺参数工艺，其他工艺参数保持不变。每组实验变量验证方式与上述一致，仍为单变量对比验证实验。如图1标识所示镀膜后石墨舟内硅片抽样片为自左向右，自上而下依次进行均匀抽样，每片测试五个点，使用Sentech的SE400adv型号膜厚测试仪器对膜后进行测试。

图1 样片测试位置

2.3 片内、片间均匀性计算方式

（1）片内计算方式

（2）片间计算方式

式中：单点max、单点min、单片max、单片min分别为单点测试数值的最大值、最小值、单片多点测试平均值的最大值、最小值。

3 实验验证内容

3.1 炉腔气压影响

表1为腔体不同压力状态下对应的镀膜均匀性，数据显示在160～240 Pa压力范围内，选择三组压力试验对比，压力适当降低整体片间均匀性相对较好，片内均匀性高压情况下相对较好，低压情况下，腔体内部整体的气流扰动相对较少。

表1 腔体不同压力镀膜均匀性

3.2 镀膜前预热恒温时间影响

表2为预加热不同恒温时间对镀膜均匀性数据，数据显示适当增加预热恒温时间对于改善镀膜的均匀性提升明显，主要因增加恒温时间对于不同温区的温度偏差改善相对明显，片间均匀性较好与选取硅片存在一定的关联，存在随机性。

表2 不同恒温时间对应镀膜均匀性

图2为不同预热恒温时间对应的炉腔内部加热温区温差差异数值趋势图，预热恒温时间增加后温区温差实际数值与设定差异值相对偏低。

图2 不同恒温时间下温差趋势图

3.3 炉腔碎片、特气进气孔清洁前后对比

通过实验3对炉腔内部碎片清洁前后，对比镀膜均匀性，表3为炉腔内碎片清洁前后镀膜均匀性对，实验数据显示清洁后镀膜均匀性相比清洁前整体均匀性提升，初步分析腔体碎片及气孔清洁后对于腔体内部进气及气流传输过程的稳定性有一定的改观，整体镀膜均匀性提升，且前期整体的均匀性相比后期较好。主要与石墨舟随着使用次数的增加，硅片在两极之间的距离不等，产生的电场强度不等，从而影响镀膜的沉积速率［1］。且前期使用过程中卡点导电均匀性相比后期有一定的优势。

表3 炉腔清洁前后镀膜均匀性

3.4 制绒绒面差异大小影响

通过实验4对镀膜前绒面差异大小分析对镀膜均匀性的影响，表4绒面差异大小对应镀膜均匀性，数据显示绒面偏差越大对镀膜均匀性的影响越严重，控制绒面的均匀性变得尤为关键，通过Olympus OLS4000 3D显微镜测试表面形貌，并对微观形貌下区域的面积、体积进行测试分析。图3绒面差值0．3～1．0μm微观形貌及区域形貌图，图4绒面差值0．5～1．5μm微观形貌及区域形貌图，可明显看出绒面尺寸大小，反应到微观形貌主要对表面的体积及表面积存在差异，直接导致镀膜均匀性的差异。

表4 绒面差异对应镀膜均匀性

不同绒面差异反应到微观形貌主要对表面的体积及表面积存在差异，对比数据可发现放大后的局部区域，表5不同绒面差值对应微观表面积及体积，单位表面积及体积存在一定差异。绒面差异越大，相对放大后的表面积、体积差值大。

表5 绒面差值对应微观表面积及体积

图3 绒面差值0．3～1．0μm微观形貌及区域形貌面积、体积图

图4 绒面差值0．5～1．5μm微观形貌及区域形貌面积、体积图

3.5 石墨舟表面粗糙度

通过实验5对石墨舟清洗配方对比对镀膜均匀性的影响，表6、7数据显示适当增加酸洗、水洗时间，利于镀膜均匀性的改善，显微镜观察，不同的清洗配方对石墨舟表面的微观形貌存一定差别，主要区别在于肉眼无法观察的一些细小氮化硅颗粒物的残留，导致石墨舟表面的平整性、粗糙度存在差异。图5、图6分别为3D显微镜状态下测试的氮化硅残留区域与非氮化硅残留区域微观形貌及粗糙度，数据显示氮化硅残留区域，粗糙度整体均值Sa为3．5μm明显高于正常区域粗糙度Sa为2．8μm。且氮化硅与石墨本身导电性存在较大差异性。进而对镀膜均匀性存在一定的影响。

表6 不同石墨舟清洗配方对应镀膜均匀性均值

表7 不同石墨舟清洗配方对应石墨舟不同使用次数镀膜均匀性

图5 氮化硅残留区域粗糙度

图6 非氮化硅残留区域粗糙度

3.6 综合优化后对比

综合以上优化后，选取产线正常配方及随机样片与优化后多组配方对比，通过实验6对比不同配方对镀膜均匀性的影响，表8数据显示选择炉腔压力在1 200 mtorr、预热恒温时间5 min、石墨舟清洗配方适当增加酸洗、水洗时间，及绒面差异小的硅片，对镀膜均匀性改善最为明显，搭配石墨舟使用前期对镀膜均匀性改善更为明显。

表8 整体优化后镀膜均匀性对比

4 结果与讨论

本文介绍了影响单晶硅太阳电池PECVD设备镀膜均匀性的细节因素，适当的降低镀膜过程中反应压力有助于改善镀膜均匀性，适当增加工艺沉积前的恒温时间、控制绒面的均匀性同样有助于改善镀膜均匀性，腔体内部及特气进气孔的清洁保养及时性同样可提升镀膜均匀性，降低石墨舟表面粗糙度同样可改善镀膜均匀性。选择在炉腔压力1 200 mtorr、恒温时间5 min、降低石墨舟表面粗糙度，搭配绒面差异小的硅片，对镀膜均匀性整体改善明显。