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PECVD实现大面积薄膜均匀沉的关键工艺
余冬冬（上海建冶环保科技股份有限公司）
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摘要：等离子体增强型化学气相沉积（PECVD）是当前薄膜太阳能电池的关键制备技术之
一，如何实现大面积沉膜的均匀性，提高薄膜电池的效率及稳定性，是PECVD未来发展的重要方向。本文以大面积电容耦合PECVD为研究对象，对电场、温度场、流体场这三个影响沉膜均匀性的关键因素，结合模拟运算进行了理论分析，以期为实现大面积均匀沉膜提供理论指引。关键词：PECVD;薄膜沉积;均匀性中图分类号：0484
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The key process of uniform thin film deposition in large area
by PECVD
Yu Dongdong
(Shanghai Janye Sci & Tech Co., Ltd.)
Abstract: Plasma enhanced chemical vapor deposition（PECVD）is one of the key technology
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about the thin film solar cell right now. How to implement the uniformity of large area thin film, improve the efficiency and stability of film cell is the most important direction of the future PECVD. In this article, we analyze the influence of electric field, temperature field, fluid field; combine with the results of simulation analysis, in order to provide theoretical guidance for the uniformity of large area thin film depositioned by PECVD. Key words: PECVD; thin film deposition; uniformity
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0 引言
近年来，PECVD法制备大面积薄膜技术在太阳能电池领域越来越受到重视，其主要
优点是沉积速率高，能够实现大面积沉膜，以满足工业化生产要求。但大面积成膜的均 作者简介：余冬冬（1985-），男， 工程师，主要研究方向：非晶硅薄膜材料和器件. E-mail:
yudongdong0911@126.com
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匀性问题，是超精细沉膜工艺的主要技术难题之一，如何解决PECVD制作大面积均匀超薄薄膜工艺问题，也是当前PECVD行业的发展重点。本文以大面积电容耦合PECVD为研究对象，采用二维准平面电路模型[1]，利用FlexPDE等软件对PECVD电极间的电场、温度场、流体场等参量进行模拟运算[2]，综合分析各指标参量与沉膜质量的内在关系。结果表明：RF功率馈入点的数量及分布是影响电极间电场均匀性的主要因素；采用高气压、小气流、大电极间距的工艺模式可以改善电极间流体场的均匀性；PECVD腔室整体加热
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模式的温度均匀性要优于基片底座加热模式，但腔室整体加热结构复杂、能耗大、影响元器件使用寿命；同时，PECVD辉光放电中电子密度及电子温度对沉膜的影响，本文也进行了理论分析。
1. PECVD沉膜均匀性影响因素
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本文以大面积电容耦合PECVD（80×120cm）为研究对象，如图1所示。上电极为射频RF电极，通常采用频率为13.56MHz、占空比为0.5的方波驱动信号；下电极接地。
图1 平板电容电极（a）和射频脉冲（b）意图 Fig. 1 sketch of plane electrodes (a) and RF pulse (b)
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PECVD沉膜均匀性的影响因素很多，其中电场、温度场、流体场是影响大面积沉膜均匀性的三个主要因素。以下采用二维准平面电路模型，利用FlexPDE等模拟分析软件，对PECVD电极间电场、温度场、流体场三场对沉膜均匀性影响进行理论分析。
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1.1 PECVD电场均匀性影响因素
PECVD电场均匀，等离子体状态才能稳定，空间中沉膜前驱物粒子浓度分布才能均衡，电场均匀性是保证沉膜均匀性的前提。
PECVD射频功率馈入点的数量及其位置分布是影响电极间电场均匀性的两个重要因素；采用二维准平面电路模型，利用FlexPDE等软件对电极间电场均匀性进行模拟分
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析，并对平行板电极间电势进行积分和归一化处理，在如图2、3、4、5所示[3]。
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图2 功率馈入点在极板Y轴边缘（a）时对应的电场分布（b） Fig. 2 Power entrance positions (a) near the edge of Y-axis and the electric field
distribution (b)
图3 功率馈入点在极板x轴边缘（a）时对应的电场分布（b） Fig. 3 Power entrance positions (a) near the edge of X-axis and the electric field
distribution (b)
图4 功率馈入点对称时的电场分布
Fig. 4 Symmetric power entrance positions (a) and the electric field distribution (b)
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图5 功率馈入点靠近中心对称时的电场分布
Fig. 5 Power entrance positions (a) symmetrically near the center and the electric field
distribution (b)
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当射频功率馈入采用图2（a）所示的方式，两个功率馈入点分布在电极短边Y边缘附近时，电极间电势分布如图2（b）所示。由于电势驻波效应和功率馈入点对数奇点效应的影响[4]，电极间电势分布的不均匀性达到40%以上，且在馈入点位置附近电势波动很大。
当射频功率馈入采用图3（a）所示的方式，两个功率馈入点分布在电极长边X边
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缘附近时，电极间电势分布如图3（b）所示，电极间电势分布的不均匀性达到20%以上。
当射频功率馈入采用图4（a）所示的方式，四个功率馈入点对称分布在电极长边X边缘附近时，电极间电势分布如图4（b）所示，电极间电势分布的不均匀性达到8%以上。
当射频功率馈入采用图5（a）所示的方式，四个功率馈入点对称分布在电极中心O
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点附近时，电极间电势分布如图5（b）所示，电极间电势分布的不均匀性仅在2.5%左右。
综合上述模拟结果，采用多个功率馈入点在电极中心对称分布的模式，可以有效的降低电势驻波效应的影响，获得均匀的电场分布，提高薄膜沉积的均匀性。
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1.2 PECVD温度场均匀性影响因素
薄膜材料沉积时，基片通常需要加热到一定的温度，这不仅可以提高前驱物粒子在基片表面的迁移率，提高沉膜质量和均匀性，而且可以增强薄膜与基片的粘附性。
PECVD通常具有基片底座加热和反应室整体加热两种加热模式，如图7、8所示[5]。
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图6 基片底座加热结构
Fig.6 sketch of substrate with back heater
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图7 反应室整体加热结构
Fig.7 sketch of the reactor with surrounding heater
从基片底座加热模式的腔室温度场模拟图可以看出，除腔壁附近位置温度梯度较大
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外，腔室其他位置的温度分布比较均匀；相比而言，反应室整体加热模式的腔室温度分布很均匀。
不同加热模式下，基片表面的温度分布如图8所示。以电极中心位置为坐标原点，电极尺寸为80×120cm，加热温度设定为200℃。
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图 8 基片表面温度分布
Fig. 8 The temperature profile across the substrate surface
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可见，反应室整体加热模式的温度场均匀性优于基片底座加热模式，但反应室整体加热需要设置隔热层及室壁降温，结构复杂，成本高，能耗大，且影响元器件使用寿命；基片底座加热模式虽然腔壁附近温度梯度较大，但基片表面的温度波动很小，只有几K左右，对沉膜均匀性的影响不大。
1.3 PECVD流体场均匀性影响因素
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成膜腔室气流的均匀稳定性，是决定沉膜质量的关键因素之一。PECVD腔室中气压的均匀性反映流体场的均匀性。采用FlexPDE软件，模拟电极尺寸为80×120cm，气压为250Pa，气体总流量为2000sccm，电极间距为20mm的条件下，腔室中气体流速及气压的分布，如图9、10所示[6]。PECVD通常采用上极板喷淋式进气，通过电极四周抽气来达到一定的腔室气压，所以电极中心位置气体滞留时间长，流速小，电极四周流速
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大，气压低。
图9 气体流速分布
Fig. 9 the distribution of velocity of gas flow
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图10 气压分布图
Fig.10 The distribution of pressure in the chamber
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从模拟分布图还可以看出，PECVD气流结构的动态对称性也很重要。
图 11 气体总流量对气压不均匀性的影响 Fig. 11 The non-uniformity of pressure vs the gas flow
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图12 工作气压对气压不均匀性的影响
Fig.12 The non-uniformity of pressure vs the gas pressure
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图13 电极间距对气压不均匀性的影响
Fig. 13 The non-uniformity of pressure vs the electrode space
在气压为250Pa，电极间距为20mm的条件下，分析气体总流量对气压不均匀性的
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影响，如图11所示。随着气体总流量的增加，需要提高气体抽速来维持一定的气压，
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造成了电极中心与四周的气体流速差异增大，气压不均匀性增加。
在气体总流量为2000sccm，电极间距为20mm的条件下，分析工作气压对气压不均匀性的影响，如图12所示。随在工作气压的增加，气体抽速减小，电极中心与四周的气体流速差异降低，气压不均匀性减小。
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在气体为250Pa，气体总流量为2000sccm的条件下，分析电极间距对气压不均匀性的影响，如图13所示。随着电极间距的增加，气体分子在电极间的滞留时间延长，有利于降低电极间的气压不均匀性。
总之，气体总流量、工作气压、电极间间距是影响气压分布均匀性的三个重要因素，为了获得均匀的气压分布，即获得均匀的腔室流体场分布，需采用大电极间距、高工作
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气压、小气体流量的工艺窗口。
2. PECVD辉光放电中电子密度及电子温度对沉膜的影响
PECVD中源气体分子与辉光放电中的电子相互作用生成前驱物粒子，通过在基片表面
电子温度越高、电子密度越大，PECVD的吸附、迁移、脱附、结合等反应生成薄膜材料[7]。
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沉膜速率越快，但电子温度过高，能量过大，对薄膜的刻蚀效应越明显，沉膜均匀性不佳。
以气压为1torr的Ne为例，其辉光放电时电子密度与电压的关系如图14所示[8]。可见，PECVD在正常辉光条件下，电压V不随电流密度而变化，电场E为常数(电极间距不变且忽略其他影响因素)。
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利用爱因斯坦方程计算辉光放电中的电子密度和电子温度[9]，如下式：
KBTe/e≈De/ue (1)
Ne=J/evd (2)
式中KB为玻尔兹曼常数，Te为电子温度，Ne为电子密度，De为电子扩散系数，ue为电子迁移率，vd为电子漂移速度，J为电流密度。其中，De、ue、vd都可以表示成约
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化电场E(电场强度)/N(每cm3分子数)的函数，如图15、16所示。
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http://www.paper.edu.cn 图14 辉光放电中电流密度与电压的关系 Fig. 14 The I-V curve of the gas discharge
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图15 De/Ue与约化电场E/N的关系
Fig. 15 The De/Ue vs the E/N
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图16 电子平均能量与约化电场E/N的关系 Fig. 16 The average energy of electron vs the E/N
PECVD在一定气压的正常辉光条件下，随着放电功率的增加，电流密度增加，电压不变，等离子体中电子密度增加，但电子温度基本不变化。因此，在合适功率范围内，随功率的增加，电子密度增加，沉膜速率增加。
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正常辉光条件下，PECVD电场E为常数(电极间距不变且忽略其他影响因素)。随着气压的增加，约化电场E/N减小，等离子体中电子运动速率减小，温度降低。
为了获得高质量的薄膜材料，通常采用低沉积速率，低溅射损伤的工艺条件；即要求辉光放电等离子体中电子密度小，电子温度低。
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3. 结论
电场、温度场、流体场是影响PECVD沉膜均匀性的关键因素。PECVD射频功率采用
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电极中心多点对称的馈入模式有利于提高电场均匀性；采用基片底座加热的加热模式不仅可以获得较均匀的温度场，而且成本低、能耗小；通常采用大电极间距、高工作气压、小气体流量的工艺窗口来获得均匀的流体场分布；为了获得高质量的薄膜材料，通常采
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用低沉积速率，低溅射损伤的工艺条件；即要求辉光放电等离子体中电子密度小，电子温度低。
目前，多腔室PECVD在多层膜连续沉积的应用中越来越广泛，在保证沉膜均匀性的前
提下，还可以避免交叉污染，提高器件质量。
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