為什么熱絲CVD（HoFCVD）可以實現低成本、快速的微晶硅薄膜制備（HJT電池）？

【概要描述】

分類：技術服務
作者：Haibin Huang
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發布時間：2025-03-10
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該問題可從兩個層面來解答：

一是：為什么HoFCVD可以“容易地”實現微晶硅薄膜制備：

相較于PECVD，HoFCVD制備微晶氫氣稀釋比更低，載板溫度要求更低。

為什么HoFCVD制備微晶氫氣稀釋比更低？同等稀釋比下，HoFCVD比PECVD 氫原子活性基團濃度更高。

這是由兩者的原理決定的，HoFCVD中，活性基團的平均自由程更高，因此，即使兩者產生了相同數量的氫原子，HoFCVD中的氫原子存活時間會更長，因此單位時間內與硅片表面接觸的氫原子數量更高：

PECVD中氣體分子在高頻或甚高頻的交變電場作用下與加速電子發生碰撞從而發生電離，當電子數量和離子數量滿足一定條件時，會產生雪崩效應，進而產生等離子體。PECVD中為了滿足雪崩效應產生的條件并且維持等離子體的濃度，工藝氣壓需要維持在幾十帕甚至幾百帕。HoFCVD中，活性基團通過熱絲的催化裂解產生，不依賴源氣體互相碰撞，因此工藝氣壓可以很低（~1Pa）。因平均自由程可以近似反比于工藝氣壓，因此HoFCVD中氫原子的平均自由程是PECVD中的幾十甚至上百倍。

為什么HoFCVD制備微晶對載板溫度要求更低？在熱絲CVD（HoFCVD）反應過程中，其反應大致可以分為3個階段：

1）氣體分子與熱絲表面的碰撞反應：

熱絲溫度非常高（~2000K），其足以分解反應源氣體（包括SiH₄、B₂H₆或PH₃、H₂、NO₂、CO₂等），生成Si、O、H、B（或者P）等活性基團，或者Si_xO_zH_a之類的復合或混合活性基團，它們的能量很高（從熱絲表面脫離時，僅比熱絲溫度低幾百K）。

2）從熱絲表面到襯底之間氣相中的反應：

HoFCVD不依賴分子間碰撞產生活性基團，所以腔室內工藝氣壓很低（~1Pa）。又平均自由程反比于氣壓，相較于其他工藝氣壓較高的CVD設備，HoFCVD中的活性基團可以具有更大的平均自由程。因此通過調節熱絲與載板間距，可以使HoFCVD中活性基團間幾乎不發生碰撞。活性基團攜帶的能量在氣相傳輸過程中因氣體分子間碰撞造成損耗的概率和程度很低，得以攜帶更高的能量達到襯底表面。

3）在襯底表面的反應：

在襯底表面反應，反應基團的能量（等效溫度）為基團落到襯底上攜帶的能量（溫度）以及襯底溫度二者的疊加。基于此，襯底表面不需要特別的高溫（100-200℃足矣），反應基團攜帶的能量也足以高到可以得到μc-Si結構；同時，活性H原子基團的能量也足夠高到可以將薄膜表面的α-Si結構刻蝕掉。所以，HoFCVD可以容易地實現微晶硅薄膜的制備。

第二層面：為什么HoFCVD可以實現容易的“低成本的快速的”微晶硅薄膜的制備？

PECVD中依靠氣體源分子間的相互碰撞以及氣體源分子與電子的碰撞來產生活性基團，相當于三維空間中點與點的碰撞。HoFCVD中，活性基團的產生依賴于分子與熱絲表面碰撞，相當于點與面的碰撞。

根據分子動力學可以求出相關的碰撞頻率，PECVD中碰撞頻率（為簡化問題，采用硬球模型，并將所有分子的質量與半徑看做相等）：