CN109943823A - 基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及a‑Si:H的制备方法技术领域，具体来说是一种基于氢等离子体处理制备a‑Si:H薄膜的方法，包括步骤a.在沉积腔室中对SiH4分解沉积a‑Si:H薄膜；步骤b.停止沉积，将沉积腔室中的残余气体排出，而后向沉积腔室通入H2，并分解H2形成氢等离子体对非晶硅薄膜作用，交替采用步骤a和步骤b以最终获得设定厚度的a‑Si:H薄膜。本发明同现有技术相比，其优点在于：本发明所采取的周期性交替的氢等离子体处理工艺，通过中断低阶硅氢基元的产生或者刻蚀低阶硅氢基元含量高的a‑Si:H薄膜，从而显著改善钝化质量；将更多的原子氢注入a‑Si:H薄膜，以配合后期的高温快速热处理工艺，为填补a‑Si:H薄膜中的电学缺陷和饱和c‑Si表面的悬键态奠定基础，从而明显改善钝化质量。

Description

基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法
技术领域
本发明涉及a-Si:H的制备方法技术领域，具体来说是一种基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法。
背景技术
近来，硅异质结太阳能电池的实验室最高效率已达到25.6％。与传统单晶硅电池相比，该型电池由于采用一宽带隙的本征非晶硅薄层(5nm～10nm)作为发射层，使得开路电压很高(～740mv)，而且该薄层作为钝化层来饱和晶体硅表面的悬键，减少漏电流的的产生。因此，需要制备低电学缺陷密度和微结构特性良好的“器件级”非晶硅薄膜来提高电池效率。工业上通常采用RF-PECVD系统分解H2和SiH4的混合气制备a-Si:H薄膜，研究者们普遍认为高阶硅氢基元如SiH3是制备高质量a-Si:H薄膜的重要中间产物，这就需要较高的氢气稀释度和较低的射频功率密度。较高的氢气稀释度有可能导致非晶硅/晶体硅界面出现外延生长，影响钝化效果；较低的射频功率密度，一方面，会降低硅烷的分解率，另一方面，随着非晶硅薄膜沉积时间的延长，越来越多的低阶硅氢基元如SiH2、SiH也会产生，从而影响非晶硅薄膜质量。
我国专利公开号：CN105489668A公开了一种太阳能电池及其氢化非晶硅i膜层表面处理方法，包括两个步骤：S1、沉积氢化非晶硅i膜层，S2、在沉积腔室中采用混合气体对所述氢化非晶硅i膜层表面进行等离子体处理，混合气体为氢气和氩气混合或者氢气和氦气混合。通过混合气体进行等离子体处理，解决氢等离子体界面清洗能力较弱的问题。本发明将基于不同原理，通过另一种方式实现对a-Si:H薄膜钝化效果的改善。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，改善氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon，a-Si:H)/晶体硅(crystalline silicon，c-Si)界面的钝化效果。
为了实现上述目的，设计一种基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，所述的方法包括如下步骤：
步骤a.在沉积腔室中对SiH4分解沉积a-Si:H薄膜。
步骤b.停止沉积，将沉积腔室中的残余气体排出，而后向沉积腔室通入H2，并分解H2形成氢等离子体对非晶硅薄膜作用。
每次步骤a分解沉积a-Si:H薄膜的厚度均小于最终所要获得的a-Si:H薄膜的设定厚度，交替采用步骤a和步骤b以最终获得设定厚度的a-Si:H薄膜。
本发明还具有如下优选的技术方案：
每次步骤a分解沉积a-Si:H薄膜的厚度均相等。
在交替采用步骤a和步骤b之前，对衬底进行清洗，采用简化RCA方法去除衬底表面的有机玷污和金属杂质。
将简化RCA方法清洗过的衬底浸入经稀释的HF溶液，再将衬底放入去离子水中进行水浴。
在分解沉积a-Si:H薄膜前，将衬底再次浸入稀释的HF溶液，而后取出并用氮气吹干。
所述的稀释的HF溶液地浓度为3％，所述的去离子水的温度为80℃，所述的水浴的时间为60分钟。
在获得设定厚度的a-Si:H薄膜后，将a-Si:H样品放入快速退火炉，在450℃的氩气环境中进行快速退火30秒。
所述的衬底采用晶向的掺磷N型双抛CZ硅片。
本发明同现有技术相比，其优点在于：
1.本发明与现有的非晶硅薄膜制备技术相比，有着明显的优势。传统的非晶硅薄膜制备技术，采用RF-PECVD系统对SiH4和H2的混合气进行分解，随着非晶硅薄膜沉积时间的延长，造成越来越多的低阶硅氢基元，如SiH2、SiH，从而影响a-Si:H/c-Si界面钝化质量。而本发明所采取的周期性交替的氢等离子体处理工艺，通过中断低阶硅氢基元的产生或者刻蚀低阶硅氢基元含量高的a-Si:H薄膜，从而显著改善钝化质量。
2.本发明所采取的周期性交替的氢等离子体处理工艺，将更多的原子氢注入a-Si:H薄膜，以配合后期的高温快速热处理工艺，为填补a-Si:H薄膜中的电学缺陷和饱和c-Si表面的悬键态奠定基础，从而明显改善钝化质量。
附图说明
图1是本发明实施例1中周期交替性地分解SiH4进行a-Si:H沉积和氢等离子体处理的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，这种方法的原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
首先，对衬底进行清洗。采用250um厚的(100)晶向的掺磷N型双抛CZ硅片(电阻率为5-10Ωcm)为衬底，在非晶硅薄膜沉积前，采用简化RCA方法(王楠,张瑜,周玉琴.硅异质结电池界面处理关键工艺的研究[J].人工晶体学报,2013,42(2):000235-239.)去除硅片表面的有机沾污和金属杂质。
然后，对衬底的进行化学预处理。将简化RCA方法清洗过的硅片浸入稀释的HF溶液(浓度为3％)，接着将硅片放入去离子水(80℃)中水浴60分钟；在a-Si:H薄膜沉积前，将清洗过的硅片再次浸入稀释的HF溶液(浓度为3％)并用氮气吹干。
表1.非晶硅薄膜的沉积工艺参数
而后周期交替性地分解SiH4进行a-Si:H沉积和氢等离子体处理工艺。采用氢等离子处理工艺制备非晶硅薄膜，如图1所示，首先，通过RF-PECVD系统对SiH4分解沉积5nm后的a-Si:H薄膜(衬底温度为160℃，腔体压力为40Pa，SiH4流量为2sccm，射频功率密度为25mW/cm2)；接着，停止沉积过程，将系统中的残余气体排出，并通入H2，通过RF-PECVD系统分解H2形成氢等离子体对非晶硅薄膜作用(衬底温度为160℃，腔体压力为250Pa，H2流量为10sccm，射频功率密度为50mW/cm2)；最后，周期性地采用这两种方式以获得10nm厚的a-Si:H薄膜。在进行每步工艺过程中，进入RF-PECVD系统的气体流量以及系统腔体压力保持稳定不变。
a-Si:H薄膜沉积后进行高温快速热处理工艺。将制备好的a-Si:H样品放入快速退火炉，在氩气环境中450℃进行快速退火30秒。
最后，对制得的a-Si:H薄膜薄膜的a-Si:H/c-Si界面钝化效果的进行测量。采用微波光电导衰减法分别测量清洗后的硅片衬底、氢等离子体处理工艺后的样品以及快热退火后的样品的有效少数载流子寿命，相对应的数值分别为60us、225us和1000us。可以看出，氢等离子体处理工艺配合后期的高温快速热处理工艺，导致样品少数载流子寿命提高了15倍。
实施例2
采用氢等离子体处理工艺一方面能中断a-Si:H薄膜的沉积过程从而避免低阶硅氢基元的产生，另一方面还能将分解产生的原子氢注入a-Si:H薄膜中而填补a-Si:H薄膜中的电学缺陷和饱和c-Si表面的悬键态，以改善a-Si:H/c-Si界面钝化效果。
表2.实施例2实验数据
参见表2，其中，编号为#0的样品为对纯SiH4分解进行a-Si:H薄膜沉积，编号#1—#7的样品为周期性地采用氢等离子体中断纯SiH4分解制备a-Si:H薄膜的沉积过程并对薄膜进行氢等离子体处理。采用微波光电导衰减法对薄膜样品在沉积后以及快热退火后(450℃下在氩气环境中退火30s，RTP)的少数载流子寿命进行测量，从结果中可以看出周期性地氢等离子体极大地改善了a-Si:H/c-Si界面钝化质量，经过快热退火后，氢等离子体处理的样品钝化质量改善更加明显。

Claims (9)

1.一种基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：
步骤a.在沉积腔室中对SiH4分解沉积a-Si:H薄膜；
步骤b.停止沉积，将沉积腔室中的残余气体排出，而后向沉积腔室通入H2，并分解H2形成氢等离子体对非晶硅薄膜作用；
每次步骤a分解沉积a-Si:H薄膜的厚度均小于最终所要获得的a-Si:H薄膜的设定厚度，交替采用步骤a和步骤b以最终获得设定厚度的a-Si:H薄膜。
2.如权利要求1所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于每次步骤a分解沉积a-Si:H薄膜的厚度均相等。
3.如权利要求1或2所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于在交替采用步骤a和步骤b之前，对衬底进行清洗，采用简化RCA方法去除衬底表面的有机玷污和金属杂质。
4.如权利要求3所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于在获得设定厚度的a-Si:H薄膜后，将a-Si:H样品放入快速退火炉，在450℃的氩气环境中进行快速退火30秒。
5.如权利要求3所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于所述的衬底采用晶向的掺磷N型双抛CZ硅片。
6.如权利要求3所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于将简化RCA方法清洗过的衬底浸入经稀释的HF溶液，再将衬底放入去离子水中进行水浴。
7.如权利要求6所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于在分解沉积a-Si:H薄膜前，将衬底再次浸入稀释的HF溶液，而后取出并用氮气吹干。
8.如权利要求7所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于所述的稀释的HF溶液地浓度为3％，所述的去离子水的温度为80℃，所述的水浴的时间为60分钟。
9.如权利要求1或2所述的基于氢等离子体处理制备a-Si:H薄膜的方法，其特征在于在获得设定厚度的a-Si:H薄膜后，将a-Si:H样品放入快速退火炉，在450℃的氩气环境中进行快速退火30秒。
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