CN109360866B - 一种三层氮化硅薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三层氮化硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：（1）准备材料：准备半导体衬底；（2）制备第一层薄膜：将所述的半导体衬底放入沉积设备中，设置第一沉积条件，所述第一沉积条件中的沉积温度均匀降低，沉积第一层氮化硅薄膜；（3）制备第二层薄膜：设置第二沉积条件，所述第二沉积条件中的沉积温度均匀降低，形成第二层氮化硅薄膜；（4）制备第三层薄膜：设置第三沉积条件，所述第三沉积条件中的沉积温度均匀降低，形成第三层氮化硅薄膜。本发明的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，可有效改善氮化硅薄膜对晶硅太阳能电池的钝化效果、减反射效果，降低工艺时间，沉积温度逐渐降低节约能耗，降低用电成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种在半导体衬底上沉积三层氮化硅薄膜的制备方法。
背景技术
随着光伏技术的不断发展，晶硅太阳能电池作为以一种将太阳能转化为电能的清洁能源产品得到了迅猛发展。
氮化硅薄膜具有钝化硅片表面和减反射的作用，使用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition；等离子体增强化学气相沉积法)在发射极表面沉积氮化硅是晶硅太阳能电池制备过程中的重要一环。但是现有工艺中的氮化硅沉积方法基本为恒温且电源功率恒定，容易出现温度场不均，增大返工片的比例，提高生产成本。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种三层氮化硅薄膜的制备方法，该制备方法可以降低能耗节约成本，以及减少等离子体对硅片表面造成的损伤，钝化效果好。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种三层氮化硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备材料：准备半导体衬底；
(2)制备第一层薄膜：将所述的半导体衬底放入沉积设备中，在所述沉积设备的沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3并通过设置第一沉积条件，所述第一沉积条件中的沉积温度均匀降低，在所述半导体衬底上沉积第一层氮化硅薄膜；
(3)制备第二层薄膜：在步骤(2)结束后继续在所述沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第二沉积条件，所述第二沉积条件中的沉积温度均匀降低，在所述第一层氮化硅薄膜的外表面形成第二层氮化硅薄膜；
(4)制备第三层薄膜：在步骤(3)结束后继续在所述沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第三沉积条件，所述第三沉积条件中的沉积温度均匀降低，在所述第二层氮化硅薄膜的外表面形成第三层氮化硅薄膜，最终形成三层氮化硅薄膜结构。
优选地，所述第一沉积条件中的沉积温度、所述第二沉积条件中的沉积温度、所述第三沉积条件中的沉积温度降低的速率相同。
优选地，所述第一沉积条件中的沉积温度高于所述第二沉积条件中的沉积温度，所述第二沉积条件中的沉积温度高于所述第三沉积条件中的沉积温度。更加优选地，所述第一沉积条件中的沉积温度从480～500℃开始降温；所述第一沉积条件中最终的沉积温度为所述第二沉积条件中初始的沉积温度，所述第二沉积条件中最终的沉积温度为所述第三沉积条件中初始的沉积温度。
优选地，所述第一沉积条件中的电源功率低于所述第二沉积条件中的电源功率，所述第二沉积条件中的电源功率低于所述第三沉积条件中的电源功率。
更加优选地，所述第一沉积条件中使用的电源功率为5000～6500W，所述第二沉积条件中使用的电源功率为6500～7000W，所述第三沉积条件中使用的电源功率为7500～8000W。
优选地，所述第一沉积条件中的沉积时间为110～150s，所述第二沉积条件中的沉积时间为70～120s，所述第三沉积条件中的沉积时间为170～220s。
更加优选地，所述第一沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比小于所述第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比，所述第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比小于所述第三沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比。由于当在折射率 n0和n2的两层介质膜之间***折射率为n1的介质膜时，折射率满足
时可获得最低反射率；同理，在第一层膜和第三层膜中间***第二层膜，第二层膜的折射率需满足
时可获得最低反射率，其中n0是硅片的折射率，n1是第一层膜折射率，n2是第二层膜折射率，n3是第三层膜折射率。所以设置所述第一沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比为4～5，所述第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比为6.5～7.5，所述第三沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比为8.5～9.5。
即，所述第一沉积条件中的沉积温度从480～500℃降温至470～490℃，使用的电源功率为5000～6500W，沉积时间为110～150s，氨气与硅烷的气体流量比为4～5；所述第二沉积条件中的沉积温度从470～490℃降温至460～480℃，使用的电源功率为6500～7000W，沉积时间为70～120s，氨气与硅烷的气体流量比为 6.5～7.5；所述第三沉积条件中的沉积温度从460～480℃降温至440～460℃，使用的电源功率为7500～8000W，沉积时间为170～220s，氨气与硅烷的气体流量比为8.5～9.5。
优选地，所述制备方法中沉积氮化硅时的压强为1500～2000mTorr。mTorr 为压强单位，为微米汞柱的压强，即毫米汞柱压强的千分之一，1mTorr等于 0.133Pa。slm和sccm都是气体质量流量单位，sccm(standard cubic centimeter per minute)是标准状态下(也就是1个大气压，25℃下)每分钟1立方厘米 (1mL/min)的流量，slm(standard litre perminute)是标准状态下1升(1L/min) 的流量。
优选地，所述制备方法中沉积氮化硅时的电源开关比为1/7～1/10。具体设定为电源Pulse on设置为3～5ms，Pulse off设置为21～50ms,这样设置为保证合适的氮化硅膜层沉积速率，电源开关比设置愈小沉积速率愈大，沉积速率过大容易导致膜厚不均，返工比例升高；沉积速率过低会导致工艺时间延长，增大生产成本。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，该制备方法在沉积氮化硅薄膜的过程中使用的沉积温度逐渐均匀降低，能够节约能耗，降低用电成本，并且沉积第一层氮化硅薄膜时使用的电源功率低于沉积第二层氮化硅薄膜时使用的电源功率，沉积第二层氮化硅薄膜时使用的电源功率低于沉积第三层氮化硅薄膜时使用的电源功率，促进H向内扩散，减少等离子体对硅片表面造成的损伤，可有效改善氮化硅薄膜对晶硅太阳能电池的钝化效果、减反射效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例中三层氮化硅薄膜的制备步骤流程框图；
图2为本发明优选实施例一中电源功率和温度的变化图；
图3为本发明优选实施例二中电源功率和温度的变化图；
图4为本发明优选实施例三中电源功率和温度的变化图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以下实施例中，所采用的半导体衬底为硅片，为普通市售硅片，购自协鑫新能源控股有限公司；所采用的沉积设备型号为E2000HT 410-4，购自 Centrotherm；检测光吸收效果的仪器为反射率测试仪，可在300-1100nm波段内对硅片的反射率进行测试(反射率低，说明减反射效果好)。
实施例一
参照图1至2，本实施例的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备材料
准备干净且已经完成制绒、扩散、刻蚀等工艺的硅片。
步骤S2：制备第一层薄膜
将硅片放入沉积设备中，在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3并通过设置第一沉积条件，在硅片上沉积第一层氮化硅薄膜。
第一沉积条件为：沉积温度从480℃以5℃/min速率均匀降低，使用的电源功率为5000W，沉积时间为150s，NH3流量4.53slm，SiH4流量为1130sccm，压强为2000mTorr，电源开关比为4/28。mTorr为压强单位，为微米汞柱的压强，即毫米汞柱压强的千分之一，1mTorr等于0.133Pa。slm和sccm都是气体质量流量单位，sccm(standard cubic centimeter perminute)是标准状态下(也就是1个大气压，25℃下)每分钟1立方厘米(1mL/min)的流量，slm(standard litre per minute)是标准状态下1升(1L/min)的流量。
沉积第一层氮化硅薄膜使用的温度较高，有利于获得较好的钝化效果。并且使用的电源功率较低，减少等离子体对硅片表面造成的损伤，有利于减少复合中心。并通过控制沉积时间进而控制膜的厚度，本实施例中的第一层氮化硅薄膜的厚度控制在15-25nm。
步骤S3：制备第二层薄膜
在步骤S2结束后继续在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第二沉积条件，在第一层氮化硅薄膜的外表面形成第二层氮化硅薄膜。
第二沉积条件为：沉积温度以第一沉积条件结束时的温度为起始温度并保持5℃/min速率均匀降低，使用的电源功率为7000W，沉积时间为70s，NH3流量5.9slm，SiH4流量为900sccm，压强为2000mTorr，电源开关比为4/28。
沉积第二层氮化硅薄膜折射率需介于第一层氮化硅薄膜与第三层氮化硅薄膜折射率之间，这样有利于减小底层与外层氮化硅薄膜间的界面差异，使得缺陷更少，内应力更小，增加光在薄膜中的传播路程，进一步提高光的吸收，从而提高了钝化和减反射效果。本实施例中设置第一层氮化硅薄膜的折射率为 2.3-2.4，第二层氮化硅薄膜折射率为2.1-2.3，第三层氮化硅薄膜折射率为 2.0-2.1。
步骤S4：制备第三层薄膜
在步骤(3)结束后继续在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第三沉积条件，在第二层氮化硅薄膜的外表面形成第三层氮化硅薄膜，最终形成三层氮化硅薄膜结构。
第三沉积条件为：沉积温度以第二沉积条件结束时的温度为起始温度并保持5℃/min速率均匀降低，使用的电源功率为8000W，沉积时间为200s，NH3流量6slm，SiH4流量为700sccm，压强为2000mTorr，电源开关比为4/28。
沉积第三层氮化硅薄膜使用的电源功率高于第一层氮化硅薄膜和第二层氮化硅薄膜使用的电源功率，这样可以提高沉积速率，缩短工艺时间，提高产能。
通过上述步骤的详细叙述可以得到，本实施例中第一沉积条件中的沉积温度均匀降低，第二沉积条件中的沉积温度均匀降低，第三沉积条件中的沉积温度均匀降低，且第一沉积条件中的沉积温度、第二沉积条件中的沉积温度和第三沉积条件中的沉积温度降低的速率相同。沉积温度均匀降低可以保证钝化效果的同时提高产品的良率，降低返工比例。
第一沉积条件中最终的沉积温度为第二沉积条件中初始的沉积温度，第二沉积条件中最终的沉积温度为第三沉积条件中初始的沉积温度，即第一沉积条件中的沉积温度高于第二沉积条件中的沉积温度，第二沉积条件中的沉积温度高于第三沉积条件中的沉积温度。控制第一层沉积温度较高，促使H向内扩散改善钝化效果；温度自然降低可以降低能耗，节约成本。
本实施例中，第一沉积条件中的电源功率低于第二沉积条件中的电源功率，第二沉积条件中的电源功率低于第三沉积条件中的电源功率。沉积第一层薄膜使用的电源功率低于其他薄膜层使用的电源功率，可以减少等离子体对硅片表面造成的损伤。
第一沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比小于第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比，第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比小于第三沉积条件中 NH3与SiH4的气体流量比。
实施例二
参照图1和图3，本实施例的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备材料
准备干净且已经完成制绒、扩散、刻蚀等工艺的硅片。
步骤S2：制备第一层薄膜
将硅片放入沉积设备中，在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3并通过设置第一沉积条件，在硅片上沉积第一层氮化硅薄膜。
第一沉积条件为：沉积温度从500℃以5℃/min的速率均匀降低，使用的电源功率为6500W，沉积时间为130s，NH3流量5.6slm，SiH4流量为1130sccm，压强为1500mTorr，电源开关比为4/36。
步骤S3：制备第二层薄膜
在步骤S2结束后继续在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第二沉积条件，在第一层氮化硅薄膜的外表面形成第二层氮化硅薄膜。
第二沉积条件为：以第一沉积条件结束时的温度为第二沉积条件中的起始沉积温度并保持5℃/min的速率均匀降低，使用的电源功率为7000W，沉积时间为80s，NH3流量6.2slm，SiH4流量为900sccm，压强为1500mTorr，电源开关比为4/36。
步骤S4：制备第三层薄膜
在步骤(3)结束后继续在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第三沉积条件，在第二层氮化硅薄膜的外表面形成第三层氮化硅薄膜，最终形成三层氮化硅薄膜结构。
第三沉积条件为：以第二沉积条件结束时温度为第三沉积条件中的起始沉积温度并保持5℃/min的速率均匀降低，使用的电源功率为8000W，沉积时间为220s，NH3流量6.3slm，SiH4流量为700sccm，压强为1500mTorr，电源开关比为4/36。
实施例三
参照图1和图4，本实施例的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备材料
准备干净且已经完成制绒、扩散、刻蚀等工艺的硅片。
步骤S2：制备第一层薄膜
将硅片放入沉积设备中，在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3并通过设置第一沉积条件，在硅片上沉积第一层氮化硅薄膜。
第一沉积条件为：沉积温度从490℃以5℃/min的速率均匀降低，使用的电源功率为5500W，沉积时间为140s，NH3流量5.4slm，SiH4流量为1200sccm，压强为2000mTorr，电源开关比为3/30。
步骤S3：制备第二层薄膜
在步骤S2结束后继续在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第二沉积条件，在第一层氮化硅薄膜的外表面形成第二层氮化硅薄膜。
第二沉积条件为：以第一沉积条件结束时温度为第二沉积条件中的起始沉积温度并保持5℃/min的速率均匀降低，使用的电源功率为6800W，沉积时间为120s，NH3流量6.7slm，SiH4流量为900sccm，压强为2000mTorr，电源开关比为3/30。
步骤S4：制备第三层薄膜
在步骤(3)结束后继续在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第三沉积条件，在第二层氮化硅薄膜的外表面形成第三层氮化硅薄膜，最终形成三层氮化硅薄膜结构。
第三沉积条件为：以第二沉积条件结束时温度为第三沉积条件中的起始沉积温度并保持5℃/min的速率均匀降低，使用的电源功率为7500W，沉积时间为170s，NH3流量5.7slm，SiH4流量为600sccm，压强为2000mTorr，电源开关比为3/30。
对比例一
采用现有的制备工艺进行氮化硅薄膜的沉积，即沉积每一层氮化硅薄膜时保持对应的沉积温度和使用的电源功率不变，分别进行三次沉积，制备得到三层氮化硅薄膜。
实施例四结果与讨论
将采用实施例制作出的电池片与对比例一的传统工艺制作出的电池片进行的检测，其中，Eta为转化效率，Uoc为开路电压，Isc为短路电流，FF为填充因子，Rs 为串联电阻，Rsh为并联电阻，IRev1为反向电流，R为镀完膜后对光的反射率，结果如下表：
表1测试结果
从表1的电性能测试结果可以得出：电池的光电转换效率的增益主要来源于Uoc的改善，主要因为第一沉积条件中的高温有利于改善氢钝化，以及第一条件中的电源功率较低，减小对晶硅表面的损伤减少复合中心，从而改善光电转换效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）准备材料：准备半导体衬底；
（2）制备第一层薄膜：将所述的半导体衬底放入沉积设备中，在所述沉积设备的沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3并通过设置第一沉积条件，所述第一沉积条件中的沉积温度均匀降低，在所述半导体衬底上沉积第一层氮化硅薄膜；
（3）制备第二层薄膜：在步骤（2）结束后继续在所述沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第二沉积条件，所述第二沉积条件中的沉积温度均匀降低，在所述第一层氮化硅薄膜的外表面形成第二层氮化硅薄膜；
（4）制备第三层薄膜：在步骤（3）结束后继续在所述沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，设置第三沉积条件，所述第三沉积条件中的沉积温度均匀降低，在所述第二层氮化硅薄膜的外表面形成第三层氮化硅薄膜，最终形成三层氮化硅薄膜结构；
所述第一沉积条件中的沉积温度、所述第二沉积条件中的沉积温度、所述第三沉积条件中的沉积温度降低的速率相同；所述第一沉积条件中最终的沉积温度为所述第二沉积条件中初始的沉积温度，所述第二沉积条件中最终的沉积温度为所述第三沉积条件中初始的沉积温度；
所述第一沉积条件中的沉积温度高于所述第二沉积条件中的沉积温度，所述第二沉积条件中的沉积温度高于所述第三沉积条件中的沉积温度；所述第一沉积条件中的电源功率低于所述第二沉积条件中的电源功率，所述第二沉积条件中的电源功率低于所述第三沉积条件中的电源功率。
2.根据权利要求1所述的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一沉积条件中的沉积温度从480~500℃开始降温。
3.根据权利要求1所述的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一沉积条件中使用的电源功率为5000~6500W，所述第二沉积条件中使用的电源功率为6500~7000W，所述第三沉积条件中使用的电源功率为7500~8000W。
4.根据权利要求1所述的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一沉积条件中的沉积时间为110~150s，所述第二沉积条件中的沉积时间为70~120s，所述第三沉积条件中的沉积时间为170~220s。
5.根据权利要求1所述的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比小于所述第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比，所述第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比小于所述第三沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比。
6.根据权利要求5所述的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比为4~5，所述第二沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比为6.5~7.5，所述第三沉积条件中NH3与SiH4的气体流量比为8.5~9.5。
7.根据权利要求1所述的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法中沉积氮化硅时的压强为1500~2000mTorr。
8.根据权利要求1所述的一种三层氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法中沉积氮化硅时的电源开关比为1/7~1/10。
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