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PECVD非晶硅薄膜制程工艺仿真建模

陆利新  
【摘要】: 开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一,太阳能光伏技术是近年来发展最快、最有活力的可再生能源利用技术。薄膜太阳能电池是第二代太阳能电池,是降低太阳电池成本的主要手段和发展趋势,而非晶硅薄膜是高效廉价光伏太阳电池的理想材料,开展对PECVD设备和非晶硅薄膜生长的关键工艺进行研究,对制备高效薄膜电池材料、对新能源的高效利用具有重要的指导意义。 薄膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切,目前认为以辉光放电法制备的非晶硅薄膜质量最好。国内外关于薄膜生长的研究较多从实验方面研究薄膜的工艺特性,优化工艺和结构参数。然而计算机数字模拟在模型建立和计算分析方面具有较大优势,可以帮助设计师和工艺师发现设计中的问题,为优化结构设计和工艺参数提供指导依据。 本论文采用计算机数字模拟的方法,研究PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition,等离子增强化学气相沉积)设备非晶硅薄膜材料的生长,研究了布气系统和结构参数对a-Si:H薄膜的影响;研究进气流量、硅氢比和温度对薄膜沉积速率的影响;研究工艺参数、功率与电极间距对薄膜沉积速率及电场分布的影响,并对模拟结果进行试验与测试验证。本论文主要研究内容和成果如下: 1.分析了气流分布对薄膜生长过程的影响,利用计算流体力学(CFD)方法对等离子增强化学气相沉积反应室流场进行了数值模拟研究,通过改变匀流板布孔方式、进气管与匀流板距离、进气管出口形状和角度、压强等条件,研究反应器内气体流动的相应变化,给出了获得薄膜生长所需的最佳输运过程的条件,以形成稳定均匀的流场,从而保证薄膜的生长质量。通过模拟验证了匀流板采用渐变直径孔方式的气流流动均匀性更好,并根据模拟结果可知,进气管入口距离为4.5mm时气体流动效果较好;进气管喇叭口结构只适合进气速率较大时的情况;压强133 pa时气流波动较小。根据本文优化后的匀流装置已实际加工应用,取得良好效果。 2.根据实际沉积非晶硅薄膜的反应腔室结构建立几何模型,根据反应室中表面化学反应建立三维热流场模型。通过对非晶硅沉积过程进行分析和仿真模拟,得到镀膜过程中的化学组分的分布情况以及薄膜的平均沉积速率,沉积速率的得出为进一步进行实验、验证模型的准确性提供数据基础。并运用正交实验法对PECVD薄膜生长的工艺参数进行了数值仿真,对结果进行了极差分析和方差分析,得出了影响沉积速率的工艺参数的主次顺序。仿真结果揭示了进气流量、硅氢比和温度对薄膜沉积速率的影响规律,为合理确定PECVD工艺参数提供理论基础。通过模拟分析得出结论:对于不同的气流速度,气流越大,温度场越不均匀,所以为了得到较均匀的薄膜,应尽量采用小气流进气;通过模拟正交实验得出结论:对沉积速率影响最大的是温度,其次是进气流量,最后是H2和SiH4的比值。 3.分析了等离子体的基本特征及其对薄膜生长的影响,并在此基础上对射频电场的分布进行模拟。主要研究薄膜沉积速率与沉积过程中RF电源功率关系,给出靶台与衬底间距不同情况下的电磁场分布;采用电场-等离子-电化学反应耦合求解方法,对加工工艺过程和设备进行仿真,掌握设备内的各种物理参数分布,从而优化工艺,改善设备的工作状态。结果显示极板变化对电场强度和电势产生影响,极板距离越近,电场强度越大,电势标量值也越大。不同极板接地方式也对电场强度和电势产生影响。进气流量、功率、温度、压力、硅氢比等参数变化只对沉积速率有影响,对电场和电势没有影响。进气流量越大,沉积速率越高,但是进气速率进一步增大,沉积速率反而下降。功率选择40W,电极间距25mm时,薄膜的均匀性较好,沉积速率也较高。 4.采用平板式PECVD沉积设备进行非晶硅薄膜生长试验,并采用变角度光谱椭圆偏振仪测试薄膜厚度,计算得出薄膜沉积速率,与仿真结果进行对比,通过试验验证得出结论:沉积速率的试验值与计算值之间的误差低于±7.5%,与多物理场模拟数值之间的误差低于±15%,验证模型的准确性和仿真结果的有效性。 通过本文的研究,获得在一定条件下高质量薄膜材料的结构和工艺参数,为PECVD设备制造和镀膜工艺提供一定的理论指导依据,对提高太阳电池的效率和质量、实现制造过程的性能优化和提升装备技术水平具有重要的意义。


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