是什么造成了管式PECVD氮化硅膜出现色差？

随着技术的不断成熟，要求太阳電(diàn)池的质量和外观也越来越高。目前，常用(yòng)等离子增强化學(xué)气相沉积（PECVD）法沉积氮化硅，在晶硅太阳電(diàn)池表面上一层小(xiǎo)于100纳米的薄膜，氮化硅薄膜作為(wèi)一种重要的薄膜材料,具有(yǒu)优良的光電(diàn)性能(néng)、钝化性能(néng)和机械性能(néng)。它不仅是优良的太阳電(diàn)池减反射膜，而且还有(yǒu)很(hěn)好的表面和體(tǐ)钝化作用(yòng)，能(néng)提高太阳電(diàn)池的转换效率。在实际商(shāng)业运用(yòng)中，用(yòng)PECVD沉积氮化硅薄膜的技术已较為(wèi)成熟，光伏太阳電(diàn)池行业广泛使用(yòng)板式PECVD和管式PECVD，但管式PECVD法制备的氮化硅薄膜色差问题难以解决，色差会使太阳電(diàn)池的外观不良，必须重新(xīn)晶硅太阳電(diàn)池氮化硅膜产生色差的影响因素研究返工，使得生产成本高居不下。

1实验

1.1实验材料与设备

       准备好实验的材料和设备

1.2石墨舟的清洗和烘干
　　在清洗机中加入體(tǐ)积浓度為(wèi)16%的HF溶液，再将石墨舟整舟放入清洗机中清洗，并开启鼓泡酸洗4小(xiǎo)时，然后在水槽中清洗6小(xiǎo)时。清洗结束之后，吹干石墨舟上的水分(fēn)，然后在烘箱中150℃下烘8小(xiǎo)时。烘干的石墨舟以备实验使用(yòng)。
1.3镀舟与镀膜
　　承载硅片的石墨舟在给硅片镀氮化硅膜之前，需要进行饱和，即镀舟。按照实验的要求设定镀舟的条件，包括气體(tǐ)流量、压力、温度、时间等条件。用(yòng)饱和后的石墨舟承载硅片，按照实验的要求设定镀膜工艺。

2.1氮化硅薄膜沉积原理(lǐ)与分(fēn)析
　　等离子體(tǐ)增强化學(xué)气相沉积法沉积薄膜的原理(lǐ)[2]如图1，PECVD是一种射频辉光放電(diàn)的物(wù)理(lǐ)过程和化學(xué)反应相结合的技术，在保持一定压力的原料气體(tǐ)中，输入直流、高频或微波功率，产生气體(tǐ)放電(diàn)，形成等离子體(tǐ)

　　当开启射频電(diàn)源时，在阴极和阳极之间会产生高频交变電(diàn)场，電(diàn)子在電(diàn)场的加速下便获得能(néng)量。当这些電(diàn)子和气體(tǐ)中的原子或分(fēn)子发生非弹性碰撞时，有(yǒu)可(kě)能(néng)发生電(diàn)离产生二次電(diàn)子，二次電(diàn)子再进一步和气體(tǐ)中的原子或分(fēn)子碰撞電(diàn)离..如此反复进行，产生大量的光子、電(diàn)子、带電(diàn)离子、受激分(fēn)子和原子或化學(xué)性质十分(fēn)活泼的活性基团（如SiH,NH基团），但其间正、负電(diàn)荷总数处处相等。等离子體(tǐ)中的离子、分(fēn)子、原子或活性基团与周围环境温度相同，但其非平衡電(diàn)子则由于质量很(hěn)小(xiǎo)，平均温度可(kě)比其他(tā)粒子大一至二个数量级，因此通常要在高温条件下才能(néng)实现的许多(duō)化學(xué)反应，在低温甚至室温下也能(néng)实现。在淀积等离子體(tǐ)氮化硅时，并不是等离子體(tǐ)中所有(yǒu)SiH4和NH3的反应都能(néng)生成理(lǐ)想的薄膜，只有(yǒu)表面反应才能(néng)生成所需的薄膜。活性基团SiH和NH被传输到基底表面，二者发生表面反应生成Si-N网络，其中还可(kě)能(néng)结合一定量的SiH和NH基团

　晶硅太阳電(diàn)池表面氮化硅薄膜产生色差是由其表面不同區(qū)域的氮化硅颜色不同造成的。根据表1所示，厚度可(kě)由椭圆偏振仪精确测量，氮化硅薄膜的厚度和颜色有(yǒu)一一对应关系，在能(néng)够估计厚度范围的情况下，可(kě)根据氮化硅薄膜的颜色和表1中所列的颜色进行比较，来确定氮化硅膜的大约厚度。

　2.2硅片表面均一性对氮化硅膜色差的影响
　　传统晶硅太阳電(diàn)池的生产工艺过程分(fēn)别為(wèi)清洗制绒、扩散、刻蚀、PECVD、丝网印刷和烧结等步骤，其中清洗制绒工艺将严重影响硅片表面的绒面的均一性。取两片清洗制绒后硅片，在同一条件下进行PECVD镀氮化硅膜，片1的表面均一性较差，如图2中a和b是片1的不同區(qū)域的微观结构，a中有(yǒu)大量细小(xiǎo)的線(xiàn)型腐蚀坑，使得片1的比表面积增大。虽然b的表面均一性较為(wèi)好，但整體(tǐ)上片1的表面均一性较差；片2的表面均一性良好，如图3，其绒面大小(xiǎo)约2.13μm。通过实验表明，通过PECVD沉积在片1表面的氮化硅薄膜产生了色差，即部分(fēn)區(qū)域偏红，部分(fēn)區(qū)域偏白。这是由于同一条件下，反应气體(tǐ)流量相同，比表面积大的區(qū)域沉积的氮化硅厚度越小(xiǎo)，而比表面积小(xiǎo)的區(qū)域则反之。相比之下，片2表面均一性较好且无色差，如图4。可(kě)见，硅片表面微观结构差异较大会造成比表面积明显差异，从而使氮化硅薄膜厚度产生显著差异，表现出不同颜色，即色差。

2.3导電(diàn)导热性对氮化硅膜色差的影响
　　晶硅太阳電(diàn)池的生产过程中，管式PECVD是用(yòng)石墨舟作為(wèi)载體(tǐ)，将硅片送入炉内的，硅片紧贴在石墨舟的舟叶内壁，每片硅片有(yǒu)三个卡点作為(wèi)支撑点，石墨舟如图5。卡点的作用(yòng)除了支撑的作用(yòng)以外，还有(yǒu)导電(diàn)导热的作用(yòng)。因此，研究卡点的导電(diàn)导热性对氮化硅膜色差的影响十分(fēn)必要。实验组的石墨舟使用(yòng)旧卡点且带有(yǒu)大量氮化硅薄膜；对照组的石墨舟使用(yòng)全新(xīn)卡点，两组实验為(wèi)同一个石墨舟，卡点不同。实验结果见图

实验组的旧卡点导致的色差片数量明显多(duō)于新(xīn)卡点。旧卡点上带有(yǒu)大量氮化硅膜层，使卡点的导热导電(diàn)性能(néng)发生较大改变，原来的工艺难以匹配旧卡点。因此，旧卡点产生的色差片相对要多(duō)。

　2.4反应温度的均匀性对氮化硅膜色差的影响
　　管式PECVD炉管内有(yǒu)5个温區(qū)，控制着管内温度的稳定性和气體(tǐ)反应温度的稳定性。為(wèi)了研究反应温度的均匀性对氮化硅膜色差的影响，实验组镀膜时的5个温區(qū)分(fēn)别為(wèi)470℃、430℃、470℃、430℃、470℃；对照组镀膜时的5个温區(qū)分(fēn)别為(wèi)440℃、440℃、440℃、440℃、440℃。其他(tā)条件相同条件下，每组分(fēn)别统计10舟，

进一步研究色差片产生的原因发现，如图7，炉管内有(yǒu)5个温區(qū)温度高低不均，产生了大量的色差片，这个因素影响很(hěn)明显，因為(wèi)温度会影响气體(tǐ)反应速率，温度高反应剧烈，膜层生長(cháng)较快，温度低反应缓慢，膜层生長(cháng)较慢，所以同一硅片会产生色差，保证炉管内温度均一性非常重要。
　　2.5電(diàn)场均匀性对氮化硅膜色差的影响
　　在石墨舟中相邻的两片舟叶之间通電(diàn)后会产生電(diàn)场，气體(tǐ)从舟叶之间流通时，含有(yǒu)不同電(diàn)荷的离子在電(diàn)场中运动，并沉积在硅片和石墨舟叶上。為(wèi)了研究電(diàn)场均匀性对氮化硅膜色差的影响，我们用(yòng)一个新(xīn)舟和一个旧舟分(fēn)别在同一个工艺以及炉管中进行镀膜，由此可(kě)以看出，旧舟的色差片数量明显高于新(xīn)舟，经过長(cháng)期使用(yòng)，反复清洗，旧舟的舟叶表面的平整度比新(xīn)舟要差。電(diàn)场是有(yǒu)平行的两叶舟叶通電(diàn)后产生，那么当舟叶表面的平整度发生变化时，電(diàn)场就会发生改变。因此，同一硅片的不同區(qū)域的氮化硅膜层生長(cháng)速度不同，从而产生色差。

　　在具體(tǐ)的生产中，还有(yǒu)很(hěn)多(duō)其他(tā)因素会产生色差片，例如石墨舟的清洗情况、石墨舟的镀舟情况以及单层膜和多(duō)层膜的工艺条件等等。采用(yòng)PECVD镀膜产生的情况较為(wèi)复杂，需后来者进一步研究与探讨。

　　通过PECVD镀膜原理(lǐ)的讨论，以及后续实验的验证得出以下结论。

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