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浙江理工大学学报,第27卷,第2期,2010年3月

JournalofZhejiangSci2TechUniversity

Vol.27,No.2,Mar.2010

文章编号:167323851

(

2010

)

收稿日期:2009-08-29

基金项目:浙江省自然科学基金项目(

Y105468

)

;浙江理工大学人才引进基金(

111383A4Y06283

)

;浙江省科技计划项目(

2008C31031

)

作者简介:张瑞丽(

1983-

)

,女,河南开封人,硕士研究生,从事半导体材料的制备与加工。

PECVD法制备碳化硅薄膜的减反射性能研究

张瑞丽1,杜红文2,张亚萍1,杜平凡1,问明亮1,张秀芳1,席珍强1

(

1.浙江理工大学材料工程中心,杭州310018;2.浙江机电职业技术学院,杭州310053

)

摘 要:利用正交实验方法,探讨PECVD法制备碳化硅薄膜沉积参数变化对其减反射性能的影响,并进一步

研究不同沉积参数对薄膜沉积速率和折射率的影响规律。结果表明,沉积参数中衬底温度是影响碳化硅薄膜减反

射性能的主要因素;薄膜的生长速率随着衬底温度和硅烷与甲烷流量比的升高而降低,并且薄膜的折射率随衬底温

度的升高而增大,但气体流量比对折射率的影响不大。

关键词:PECVD;碳化硅薄膜;正交实验;减反射性能

中图分类号:TM914.41 文献标识码:A

0 引 言

太阳电池减反射钝化技术在太阳电池的发展中起着相当重要的作用。低温等离子体增强化学气相沉积

法(

PECVD

)制备的氮化硅薄膜具有钝化与减反射双重效果,已在硅基太阳电池中广泛应用[122]。但是要

达到较好的减反射效果,要求薄膜折射率在2.35左右[3],而一般氮化硅的折射率在1.7～2.2之间,所以减

反射效果还没有达到最优。此外,使用价格较昂贵的高纯氨气是PECVD沉积的氮化硅薄膜成本偏高的因

素之一。所以寻找一种成本较低、性能优良的太阳电池减反射钝化薄膜已成为各国学者关注的问题。

碳化硅薄膜具有良好的物理、化学以及机械性能[425],并且碳化硅薄膜的折射率在2.0～3.75之间,可通

过控制沉积条件,得到折射率较优的减反射膜,所以作为太阳电池减反射钝化薄膜,它具有很大的研究空间

和应用潜能。碳化硅薄膜的制备常采用PECVD法[627]。在PECVD工艺中,反应动力来自被高频电场加速

的电子和离子,它们与反应气体分子碰撞,电离或激活成活性基团,因而可以在远低于热反应的温度下沉积

薄膜。通常,在PECVD工艺中,许多沉积参数会影响薄膜的性质,且不同参数下沉积的碳化硅薄膜之间的

性质会有较大的差异。所以,必须对薄膜性质和沉积参数之间的关系进行研究,以得到减反射性能优良的碳

化硅薄膜。国内外学者对碳化硅薄膜的电学性能作了广泛而深入的研究,但是,关于PECVD沉积参数对碳

化硅薄膜减反射性能的影响还未见报道。本文利用正交实验法研究PECVD碳化硅薄膜的沉积参数对薄膜

减反射性能的影响,确定影响其减反射性能的主要沉积参数,并寻找较佳的沉积条件。在此基础上研究沉积

参数对薄膜生长速率和折射率的影响规律。

1 实验方案

采用PECVD法,以硅烷(

SiH4)和甲烷(

CH4

)为反应气体,氩气(

Ar

)为稀释气体,在硅单晶片上沉积

碳化硅薄膜,用正交实验法研究薄膜的减反射性能。通过分析不同沉积条件制备的碳化硅薄膜的折射率,得到

碳化硅薄膜的沉积参数与薄膜折射率之间的关系,从而确定优化的减反射膜沉积条件。固定其他条件不变,分

别系统地改变沉积参数(衬底温度和气体流量比)

,来研究薄膜的沉积速率和折射率随沉积条件变化的规律。

1.1 衬底样品的制备

采用1.5cm×1.5cm的单面抛光的p型(

100

)直拉单晶硅片为衬底材料,沉积设备为HQ22型PECVD

(中国科学院微电子研究所制造)。沉积实验前,衬底分别采用丙酮和乙醇超声清洗15min,以去除油污;然

后分别用RCA1号液(

V

(

H2O

)∶V

(

H2O2)∶V

(

NH3・H2O

)

=5∶1∶1

)和RCA2号液(

V

(

H2O

)∶V

(

H2O2

)∶V

(

HCl

)

=6∶1∶1

)

75℃水浴清洗20min;随后采用体积分数10%的氢氟酸漂洗10s,以去除表

面的氧化层,并用去离子水洗净,氮气吹干,放入沉积室。稀释氩气流量为90mL/min,沉积时间为10min。

1.2 正交实验

表1 因素水平表

水平

因素

A:衬底温度/℃B:V

(

SiH4

)∶V

(

CH4

)

C:射频功率/W

12002∶120

22501∶135

33001∶250

43501∶365

54001∶580

使用PECVD制备碳化硅减反射薄膜,

确定要考察的制备条件因素有3个:衬底温

度(因素A

)、硅烷与甲烷的气体流量比(因素

B

)和射频功率(因素C

)

,每个因素均取5个

水平,如表1所示。

考虑到有3因素,5水平,选用L25(

56)

正交表,以碳化硅的折射率作为指标,设计安

排25组实验,设计的正交表以及实验结果列

于表2;对实验结果的分析采用直观分析法,

分析结果列于表3。

表2 正交实验表

实验

编号

因素A:

衬底温度/℃

因素B:

V

(

SiH4

)∶V

(

CH4

)

因素C:

射频功率/W

折射率n

12002∶1202.3278

22001∶1352.3909

32001∶2502.3923

42001∶3652.4037

52001∶5802.4516

62502∶1352.4515

72501∶1502.5790

82501∶2652.3869

92501∶3802.4097

102501∶5203.0238

113002∶1502.8474

123001∶1652.6937

133001∶2802.4853

143001∶3202.4574

153001∶5352.4734

163502∶1652.7845

173501∶1802.9856

183501∶2202.4599

193501∶3352.4776

203501∶5502.3952

214002∶1803.1679

224001∶1202.9058

234001∶2352.5768

244001∶3502.4849

254001∶5652.4052

1.3 样品表征

碳化硅薄膜折射率和厚度的测试是在

F202Filmetrics光学膜厚测试仪上进行的。光

学膜厚测试仪的原理是通过薄膜上下面的反

射比的频谱分析得到厚度、折射率和消光系

数。该膜厚测试仪波长范围400～1000nm,

测量准确度大于0.4%,测量精度1!,稳定

性0.7!。

采用PSIA公司制造的XE2100E原子

力显微镜测试薄膜的表面形貌和粗糙度,分

辨率为横向0.2nm,垂直0.02nm,测试区

域选择2

μ

m×2

μ

m,粗糙度值选择用均方根

粗糙度(

Rq)表示。

表3 正交结果分析表

各水平

薄膜折射

率均值

因素

A:

衬底温度/℃

B:V

(

SiH4

)∶

V

(

CH4

)

C:

射频功率/W

k12.3932.7162.635

k22.5702.7112.474

k32.5912.4602.540

k42.6212.4472.535

k52.7082.5502.700

R0.3150.2690.226

552第2期张瑞丽等:PECVD法制备碳化硅薄膜的减反射性能研究

2 结果与讨论

2.1 减反射膜的最佳沉积条件

对于理想的用于EVA封装的太阳电池减反射薄膜,其折射率应该在2.35。以此为判据,来寻找最佳的

沉积条件。分析显示,所制备的碳化硅薄膜呈深蓝色,颜色均一,表面颗粒均匀分布;由椭圆偏转测厚仪测得

膜厚为60～90nm,折射率值见表2。表3中的k1～k5分别是各因素水平下沉积薄膜的折射率的平均值,R

是极差,即k1～k5中的最大值和最小值之差。由表3中的正交结果分析可知,极差顺序为:RA>RB>RC,即

衬底温度对碳化硅薄膜的折射率的影响最大,反应气体流量比的影响次之,射频功率的影响较小。在温度水

平1

(

200℃)和水平2

(

250℃)下沉积的碳化硅薄膜折射率的均值都与2.35接近,但从图1中看出,200℃制

备的薄膜比较疏松,Rq为3.33nm,稳定性不好,而250℃制备的薄膜较均匀、致密,Rq为2.21nm,所以认为

250℃是较好的沉积温度。在气体流量比水平4

(

V

(

SiH4

)∶V

(

CH4

)

=1∶3

)下沉积的薄膜折射率的均值与

2.35接近,并且在V

(

SiH4

)∶V

(

CH4

)

=1∶3的条件下沉积的薄膜均匀而且致密,故可以认为硅烷与甲烷

流量比在1∶3的比例下能取得较好的效果;在射频功率水平2

(

35W

)下沉积的薄膜折射率与2.35比较接

近,所以采用35W作为沉积碳化硅减反射薄膜的最佳功率参数。综上所述,得到在PECVD系统上沉积碳

化硅减反射薄膜的最佳参数为:衬底温度250℃,流量比V

(

SiH4)∶V

(

CH4

)

=1∶3,功率35W。

图1 不同衬底温度下碳化硅薄膜的AFM表面形貌图

2.2 沉积参数对薄膜生长速率的影响

图2是薄膜沉积速率与衬底温度之间的关系曲线。由图2可知,沉积速率随着衬底温度的升高而降低。

其原因在于化学反应的可逆性:温度较低时,正向反应的激活能低于逆向反应的激活能,正向反应占主导地

位;当温度升高后逆反应占主导地位,所以沉积过程在衬底温度升高后沉积速率反而下降[8]。可见,影响薄

膜结构的一个重要因素是衬底温度,温度在很大程度上影响着沉积原子的附着、解吸以及表面徙动的能力。

由于低温沉积的薄膜比较疏松,且含有大量的缺陷态和悬挂键,导致薄膜在保存的过程中被氧化而含有

较多的氧结合态,所以在研究气源流量比对薄膜生长速率和折射率的影响时,选择较高的温度(

400℃)作为

衬底温度。图3是薄膜生长速率与SiH4/CH4流量比的关系曲线。从图3中可以看出,随着SiH4与CH4

流量比的减小,生长速率从7.67nm/min减小到4.90nm/min。这是由于,随着SiH4与CH4流量比的减

小,硅烷分解产物相对减少,参与沉积的粒子减少,生长速率相应就变慢。

652

浙 江 理 工 大 学 学 报2010年 第27卷

2.3 沉积参数对薄膜折射率的影响

对于采用封装工艺的硅太阳电池组件来说,减反射膜的外界介质一般为硅橡胶,其折射率约为1.4,在

这种情况下,理论上最匹配的减反射膜折射率为2.35。

图4是碳化硅薄膜折射率随温度的变化关系。从图4中可以看出,随着衬底温度的升高,薄膜的折射率

有增大的趋势。根据薄膜光学理论:薄膜的折射率升高将引起消光系数升高,造成光损耗增大,所以折射率

应保持在一个较低的水平。图5是薄膜折射率随SiH4与CH4流量比的变化关系。从图5中可以看出,随

着甲烷流量的增大,薄膜的折射率成增大趋势,但是增大的趋势不明显。因此可认为,气体流量比对折射率

的影响并不大。

3 结 论

a

)沉积参数中衬底温度是影响碳化硅薄膜减反射性能的主要因素,较优的沉积条件应为:温度250℃,

流量比V

(

SiH4)∶V

(

CH4

)

=1∶3,功率35W。

b

)薄膜的生长速率随着衬底温度和流量比的升高而降低;薄膜的折射率随衬底温度的升高而增大,但

气体流量比对折射率的影响不大。

参考文献:

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752第2期张瑞丽等:PECVD法制备碳化硅薄膜的减反射性能研究

StudiesofAntireflectionPropertiesofSiCThinFilmsPreparedbyPECVD

ZHANGRui2li1,DUHong2wen2,ZHANGYa2ping1,DUPing2fan1,WENMing2liang1,ZHANGXiu2fang1,XIZhen2qiang1

(

alsEngineeringCenter,ZhejiangSci2TechUniversity,Hangzhou310018,China;

ngInstituteofMechanical&ElectricalEngineeringHangzhou310053,China

)

Abstract:Inthiswork,theorthogonaldesignmethodisudtostudytheeffectofdepositionparame2

,effectofthedifferentdepositionpa2

rameundthatsubstrate

temwthrateofthin

filmsdecractiveindex

ofthinfilmsincreadwithincreasingsubstratetemperature,whiletheflowratioofSiH4toCH4haslittle

influenceontherefractiveindex.

Keywords:PECVD;SiCthinfilms;orthogonalexperiment;antireflectionperformance

(责任编辑:张祖尧)

(上接第243页)

SignalProcessingMethodoftheLarSyntheticWavelength

InterferometryBadonCPLD

ZHANGPing,YANLi2ping,YANGTao,CHENBen2yong

(

NanometerMeasurementLab,ZhejiangSci2TechUniversity,Hangzhou310018,China

)

Abstract:Thelarsyntheticwavelengthinterferometricnano2displacementmeasurementisintro2

lprocessingsystemforthemeasurementbadonComplexProgrammableLogicDevice

(

CPLD

)

isdesigned,includingthedesignofsignalpre2processingcircuitandCPLDprocessingmodule.A

PCsoftwareisalsodesignedthattheMSCommActiveXofVisualBasicisudtorealizethecommunica2

tionbetweenPCandCPLDmodule,heconditionof

constanttemperatureandhumidity,displacementmeasurementexperimentswith5nmand10nmdeplace2

erimentalresultsshowthatthelinearcorrelationcoefficientis0.

9991and0.9998withthestandarddeviationsof1.85nmand2.54nmoverarangeof200nm,respective2

monstratesthatthedesignedsystemhashighreliabilityandpracticability.

Keywords:larinterferometer;syntheticwavelength;CPLD;nano2displacementmeasurement;sig2

nalprocessing

(责任编辑:杨元兆)

852

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