氮化硅薄膜制备技术及其在太阳能电池中的应用

e、离子束增强沉积（IBED）法

BED法是在同一真空系统中以电子束蒸发或离 子束溅射薄膜材料（Si靶）的同时，用一定能 量的离子束（如氮离子束）进行轰击，在常温 下合成薄膜的方法。此法具有以下优点：沉积 过程在高真空中进行，氧化程度低；在界面区 存在混合层，使得膜与基体的结合强度明显提 高；薄膜组分分别来自不同的组分源，可以对 其化学组成进行单独调控，易于沉积不同类型 的薄膜；沉积温度低。由于此法把离子轰击、 离子注入和真空镀膜三者结合起来，为材料表 面改性和优化提供了一条新途径，对它的研究 也越来越多。
采用型号为FP-6500、以氙灯作为激发源 且发波长为325nm的荧光光谱仪（Fluorescence spectrometer）测量薄膜样品的光致发光光谱 （PL），测量范围为350nm-850nm。
下面是在不同退火温度处理下氮化硅薄膜 样品的各PL光谱图
各退火温度下薄膜PL光谱图
各发光峰的峰值强度随退火温度的变化关系图
1、氮化硅薄膜制备技术介绍
本文主要介绍了下面几种氮化硅薄膜制备方法 a、等离子体化学气相沉积(PECVD)法； b、高温热化学气相沉积(HTCVD)法； c、常压热化学气相沉积（APCVD）法； d、低压热化学气相沉积（LPCVD）法； e、离子束增强体积（IBED）法。
a、等离子体化学气相沉积 (PECVD)法
1.电阻率随x增加而降低 2.折射率n随x增加而增加 3.腐蚀速率随密度增加而降低

PECVD法由于其灵活性、沉积温度低和 重复性好而扩大了CVD法的应用范围， 特别是提供了在不同基体上制备各种薄 膜的可能性。由于它适应了当前大规模 集成电路生产工艺向低温工艺方向发展 的趋势，越来越引起学术界的重视，成 为制备氮化硅薄膜最常用的方法。
结
束 ！
c、氮化硅薄膜的制备及高温退火处 理实验。
利用PECVD法制备氮化硅薄膜样品； 氮化硅薄膜制备完成后，将所得样品 切割为七块，除一块作对比之外，其余 六块均作高温退火处理，退火温度分别 为350℃，500℃，650℃，800℃，950℃， 1100℃。整个退火处理过程均是在N2 气 氛下完成的，且所有样品均采用随炉升 温和随炉降温的加热及冷却方式，并在 所设定的最高温下保温10分钟。
2、氮化硅薄膜在太阳能电池上的作用
氮化硅薄膜在太阳能电池上的作用有两种：
a、减反射作用； b、钝化作用 。
a、减反射作用

太阳电池的减反射膜（ARC， antireflection coating）的作用是，光照射 在硅片表面时，因为反射会使光损失约 三分之一。如果在硅表面有一层或多层 合适的薄膜，利用薄膜干涉原理，可以 使光的反射大为减少，电池的短路电流 和输出就有很大增加，效率也有相当的 提高。
d、低压化学气相沉积(LPCVD)

人们在APCVD 的基础上研制出了 LPCVD。LPCVD克服了APCVD沉积速 率小、膜层污染严重等缺点，因而所制 备氮化硅薄膜的均匀性好，缺陷少，质 量高，并可同时在大批量的基板上沉积 薄膜，易于实现自动化，效率高，现已 成为半导体工业中制备氮化硅薄膜的主 要方法之一。



在太阳电池表面沉 积 深蓝色减反膜SiN膜。减少光的反 射，增加电池对光 线的吸收。 对电池的正表面进 行H钝化 对电池正表面进行 保护，防止氧化 SiNx:H
p n+ +
finger
"inverted" pyramids
+ p n psilicon p + oxide + p
rear contact
氮化硅薄膜
----制备技术及其在太阳能电池中的应
用介绍 姓 名：张小龙 学 号：2011156112 指导教师：姜礼华
氮化硅薄膜应用介绍

氮化硅薄膜是一种重要的精细陶瓷薄膜材料， 它既是优良的高温结构材料，具有良好的抗冲 击、抗氧化和高强度等特点；又是新型的功能 材料，在许多方面已获得广泛应用。氮化硅薄 膜具有很多优良的性能，如硬度高、抗腐蚀、 耐高温、化学惰性与绝缘性好、光电性能优良 等特点，所以被广泛的应用于微电子领域、微 机械制造、光电子工业、太阳能电池、陶瓷切 削加工工具、材料表面改性以及航天航空等领 域。
c、常压化学气相沉积(APCVD)

常压化学气相沉积就是在常压环境下， 反应气体受热后被N2或Ar等惰性气体输 运到加热的高温基片上，经化合反应或 热分解生成固态薄膜。由于这种沉积是 在常压下进行的，且仅仅依靠热量来激 活反应气体实现薄膜的沉积，所以与其 它CVD相比，其设备非常简单，操作方 便，是早期制备氮化硅薄膜的主要方法。

钝化太阳电池的体内

在SiN减反射膜中存在大 量的H，在烧结过程中会 钝化晶体内部悬挂键。
3、退火温度对太阳能电池中氮化硅薄膜 的光致发光影响实验
实验过程主要有如下步骤： a、简述实验原因； b、光致发光光谱(PL)作用介绍； c、氮化硅薄膜的制备及高温退火处理实验； d、实验结论。
a、简述实验原因
d、实验结论

薄膜样品在退火温度小于800℃时，样品内存 在的大量N、O等缺陷，影响了薄膜结构的稳 定性；当退火温度高于800℃时，高退火温度 下，薄膜结构的稳定性得到了提高。即发现高 温热处理可以增强薄膜的稳定性并改善薄膜的 表面情况。
4、总结
本文介绍了氮化硅薄膜的一些优秀性能、在各领域中的 应用。氮化硅薄膜作为一种人工合成材料，有下列几种 氮化硅薄膜的制备方法，等离子体增强化学气相沉积 （ PECVD） 法、高温热化学气相沉积(HTCVD)法、常 压化学气相沉积(APCVD) 法、离子束增强沉积（IBED） 法等，文章中讲述了这些制备方法的制备过程和优缺点 等。介绍了氮化硅在太阳能电池上主要有两种左右，一 是减反射作用，另一个是钝化作用，讲述了两种作用的 原理、材料选取和各种技术等。做了退火温度对氮化硅 薄膜结构特性的影响实验，发现高温热处理可以增强薄 膜的稳定性并改善薄膜的表面情况。
b、钝化作用


由于太阳电池级硅材料中不可避免的含 有大量的杂质和缺陷，导致硅中少子寿 命及扩散长度降低从而影响电池的转换 效率。 H的钝化机理:

主要原因是:H能与硅中的缺陷或杂质进行 反应，从而将禁带中的能带转入价带或者 导带。

钝化太阳电池的受光面

薄膜的主要作用是保护半 导体器件表面不受污染物 质的影响，半导体表面钝 化可降低半导体表面态密 度。
PECVD的介绍


PECVD:
Plasma Enhance Chemical Vapour Deposition 等离子增强化学气相沉积


等离子体：
由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就 会使气体分子产生电离，这样物质就会变成 自由运动并由相互作用的正离子、电子和中 性粒子组成的混合物。
PECVD的目的

采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD） 制备氮化硅薄膜，而通过PECVD法直接沉积的 氮化硅薄膜，由于离子轰击会影响薄膜的表面 质量，因此通常需要后续的高温热处理薄膜， 故本文做了退火温度对氮化硅薄膜结构特性的 影响实验，实验中利用光致发光光谱（PL）可 以检测出各发光峰的结构和强度，从而对薄膜 的缺陷进行检测，发现高温热处理可以增强薄 膜的稳定性并改善薄膜的表面情况。
b、高温热化学气相沉积(HTCVD)法

这种方法通过给反应气体加热，利用热 分解或化合反应在基板表面形成固态膜 层。由于以热量作为气体活化方式，因 而设备简单。低压沉积过程一般不需要 运载气体，可同时在大批基板上沉积， 工作效率高，比较经济，制得的薄膜有 较好的重复性，厚度方向上分散性好。 目前，低压沉积是半导体工业上的一种 标准方法。
oxide
SiNx:H介绍


正常的SiNx的Si/N之比为0.75，即Si3N4。但是 PECVD沉积氮化硅的化学计量比会随工艺不同而变 化，Si/N变化的范围在0.75-2左右。除了Si和N， PECVD的氮化硅一般还包含一定比例的氢原子，即 SixNyHz或SiNx:H Si/N比对SiNx薄膜性质的影响
b、光致发光光谱(ຫໍສະໝຸດ L)作用介绍PL光谱是一种探测材料电子结构的常用 方法，其优点在于灵敏度高、数据采集 简单、与样品无接触且不损坏样品。通 过检测PL光谱的光谱结构和强度，可将 其应用于带隙检测、杂质能级和缺陷检 测、复合机制研究等。在本文的研究中， 薄膜中缺陷态及完整性可通过PL光谱检 测出来。
5、致谢
本论文是在姜礼华老师的悉心指导和殷切关怀下完成 的，感谢姜老师提供了太阳能电池的研究平台。 感谢大学四年来辛苦教育我的李德莹老师、田毅红老 师、刘杨老师等，你们端正的工作态度和平易近人的生 活方式深深的感染了我。 感谢和我一起生活四年的室友，赵胜飞、江志华、周 志行，一直以来他们对我照顾有加，包容我的缺点，陪 伴我一起成长，给我留下了太多太多美好的回忆，让我 印象深刻无法忘怀。 感谢所有帮助、关心过我的人。谢谢。