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　　0 引言

　　太陽能光伏技術(shù)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電力的技術(shù)，其核心是半導(dǎo)體物質(zhì)的光電效應(yīng)。最常用的半導(dǎo)體材料是硅。在太陽電池表面形成一層減反射薄膜是提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較可行且降低成本的方法。應(yīng)用PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)系統(tǒng)，采用SiH4和NH3氣源以制備氮化硅薄膜。研究探索了PECVD生長氮化硅薄膜的基本物化性質(zhì)以及在沉積過程中反應(yīng)壓強(qiáng)、反應(yīng)溫度、硅烷氨氣流量比和微波功率對薄膜性質(zhì)的影響。通過大量實驗，分析了氮化硅薄膜的相對最佳沉積參數(shù)，并得出制作戰(zhàn)反射膜的優(yōu)化工藝。

　　1 減反射膜原理

　　在了解減反射薄膜原理之前，要先了解幾個簡單的概念：第一，光在兩種媒質(zhì)界面上的振幅反射系數(shù)為(1-ρ)/(1+ρ)，其中ρ為界面處兩折射率之比。第二，若反射光存在于折射率比相鄰媒質(zhì)更低的媒質(zhì)內(nèi)，則相移為180°;若該媒質(zhì)的折射率高于相鄰媒質(zhì)的折射率，則相移為零。第三，光因受薄膜上下兩個表面的反射而分成2個分量，這2個分量將按如下方式重新合并，即當(dāng)它們的相對相移為180°時，合振幅便是2個分量振幅之差;稱為兩光束發(fā)生相消干涉。

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　　如圖1所示膜有2個界面就有2個矢量，每個矢量表示一個界面上的振幅反射系數(shù)。如果膜層的折射率低于基片的折射率，則每個界面上的反射系數(shù)都為負(fù)值，這表明相位變化為180°。當(dāng)膜層的相位厚度為180°時，即膜層的光學(xué)厚度為某一波長的1/4時，則2個矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，則對該波長而言;2個矢量將完全抵消，于是反射率為零。鍍制有減反射薄膜的太陽電池的反射率R為：

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　　式中：R1，R2分別為外界介質(zhì)與膜和膜與硅表面上的菲涅爾反射系數(shù);△為膜層厚度引起的位相角。其中：

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　　式中：n，n0，nSi分別為外界介質(zhì)、膜層和硅的折射率;λ入射光的波長;d為膜層的實際厚度;nd膜層的光學(xué)厚度。當(dāng)波長λ0為光的垂直入射時，

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　　因此，完善的單層減反射薄膜條件是膜層的光學(xué)厚度為1/4波長，其折射率為基片和入射媒質(zhì)折射率相乘積的平方根。

　　2 減反射薄膜的材料

　　要想將光電池對光反~射引起的損失減至最小，因此必須使反射系數(shù)ρ最小，如上分析，對單層減反射薄膜必須滿足：

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　　對硅光電池來講，如果光直接從空氣射入電池，n0=1，nSi=3.8，則折射率為1.9時的介質(zhì)膜為最佳，但是它僅僅對特定波長的單色光為最佳，對于一般的復(fù)色光源，鄰近特定波長的光，在確定的介質(zhì)材料和厚度下，由于條件不完全滿足，反射光只可能部分地被抵消，雖然ρ有所增大，但對波長較遠(yuǎn)的光，起不到減反射作用，因此在設(shè)計中應(yīng)選取適當(dāng)?shù)膎1材料和制作合適的膜厚t，才能使其波長落在光源輻射最強(qiáng)的波長附近。

　　幾種能夠作為減反射薄膜的材料和它的折射率列在表1中，可供參考：

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　　由于氮化硅的折射率為1.9，是很理想的減反射膜材料，所以研究中采用的就是這種材質(zhì)的減反射膜。氮化硅薄膜的折射率高，其中晶態(tài)氮化硅薄膜的折射率為2.0;非晶態(tài)氮化硅薄膜的折射率會在其左右一定范圍內(nèi)波動。氮化硅薄膜的厚度和顏色有對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

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　　厚度可用橢圓偏振儀精確測量。在能夠估計厚度范圍的情況下，可根據(jù)氮化硅薄膜的顏色和表中所列的顏色進(jìn)行比較，以此來確定氮化硅膜的大約厚度。圖2～圖4分別為鍍膜前、80 nm左右SiN薄膜和65 nm左右的SiN薄膜圖示。

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　　3 實驗與討論

　　本研究使用德國ROTH&RAU科學(xué)儀器研制中心制造的PECVD-SiNA1型設(shè)備制備不同厚度的SiN薄膜。

　　測試設(shè)備用：SENTECH生產(chǎn)SE-400ADV的激光偏振儀;SEMILAB生產(chǎn)的WT-2000的少子壽命測試儀。

　　實驗材料：材料采用P型(100)的直拉的125 mmx125 mm單晶硅片，電阻率約為0.5～3 Ω·cm，厚度200+50μm。在實驗前經(jīng)過硅片清洗和制絨，磷擴(kuò)散，等離子刻蝕，去除磷硅玻璃等工藝。

　　實驗用到的氣體有SiH4，NH3，N2。腐蝕溶液為HF酸。SiH4和NH3氣體分別用于等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法沉積SiN薄膜，為安全起見，SiH4由氮氣稀釋至10%，NH3濃度為99.999%。N2主要用于在沉積完薄膜后清洗氣路和反應(yīng)室，它們的純度都為99.999%。

　　PECVD系統(tǒng)主要工藝參數(shù)包括射頻功率、反應(yīng)氣體組分、氣體總流量、襯底溫度和反應(yīng)壓力等，這些參數(shù)對SiN薄膜的性能有很大影響。

　　由于影響PECVD系統(tǒng)淀積效果的參數(shù)很多，如氣體流量和流量比，工藝腔溫度，射頻功率，沉積氣壓等等，而且對不同的PECVD設(shè)備會有不同的最佳參數(shù)，我們有必要就主要的控制參數(shù)進(jìn)行研究，摸索出在這臺PECVD設(shè)備上淀積氮化硅薄膜的最佳工藝參數(shù)組合。

　　在此一共選取了沉積壓強(qiáng)(6組)、微波功率(5組)、氣體流量比(11組)、工藝腔溫度(4組)四個變量。采取改變其中的變量其他三個變量不變的實驗方法，最后得出各個變量主要對電池片哪些參數(shù)有影響，提出一個可行的最優(yōu)實驗方案。

　　通過查閱相關(guān)資料，我們總結(jié)出SiN薄膜較好的各參數(shù)范圍：薄膜厚度在70～80 nm之間，膜厚差應(yīng)小于5 nm，折射率2.0～2.1之間，4 nd在630 nm左右，少子壽命越大越好，腐蝕速率越小。

　　根據(jù)資料和實際經(jīng)驗，從以上幾組實驗中找出了一些實驗效果比較好的參數(shù)，然后共得到8組優(yōu)化參數(shù)，這8組實驗做完之后，再用1：5的氫氟酸對制得薄膜進(jìn)行腐蝕，實驗具體參數(shù)如表3，實驗結(jié)果如表4。

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　　圖5～圖8給出實驗結(jié)果。采用平板式PECVD法制備氮化硅薄膜時，沉積條件對氮化硅薄膜特性的影響如下：

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　　(1)壓強(qiáng)主要對折射率和腐蝕速率有影響：隨著壓強(qiáng)的升高(見圖5)，折射率上升而腐蝕速率下降(見圖6)。壓強(qiáng)增大時，膜的均勻性下降(見圖7)。

　　(2)功率主要對膜厚和膜厚差有影響：隨著功率的增大，膜厚增大而膜厚差下降(見圖8)。

　　(3)流量比主要對折射率、膜厚和膜厚差都有影響：隨著流量比的升高，折射率下降而膜厚和膜厚差都是先升后降(見圖8)。

　　(4)溫度對薄膜的各個參數(shù)影響都不大。溫度上升，折射率增大(見圖5)，腐蝕速度下降(見圖6)。

　　4 結(jié)語

　　經(jīng)過實驗分析，在溫度為430℃，壓強(qiáng)為2.1×10-1mbar，功率為3 200 W，流量比為3.07，制備的薄膜具有良好特性，是制作減反射膜的良好的方案。