為什么熱絲CVD可以做到完全“無繞鍍”？

【概要描述】

分類：技術服務
作者：Haibin Huang
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發布時間：2025-03-28
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詳情

一、熱絲CVD“無繞鍍”的機理解析：

熱絲CVD，又名催化化學氣相沉積，其英文名稱有：Catalytic-CVD(Cat-CVD)、Hot-wire CVD(HWCVD)、Hot Filament CVD(HoFCVD)。其鍍膜的基本原理如圖1所示：在一個真空腔體中，通過直流電加熱特種金屬熱絲，使熱絲的溫度維持在一定溫度（1700-2000℃）；再通入反應氣體（SiH4、H2等），反應氣體與高溫熱絲碰撞，發生催化裂解反應，生成多種具有強活性的“不帶電”基團（Si、H、SixHy等）；這些活性基團從熱絲表面脫附后，隨機向四周發射，“落到”襯底上（如加熱到200℃左右的硅片），在襯底表面反應沉積生成薄膜。

圖1 熱絲CVD鍍膜原理

無繞鍍的機理分析：

1、硅烷、氫氣等源氣體，只有碰到熱絲才能被催化裂解，生成活性基團；

2、活性基團從熱絲上脫附向四周運動，其向各個方向移動的概率是相等的，類似于白熾燈的“發光”；

3、活性基團的平均自由程為“10cm”左右，幾乎等于熱絲到硅片/載板的距離；同時活性基團從熱絲表面到硅片之間的運動可認為，氣體基團之間沒有碰撞反應發生，基團在空間中的運動是無干擾的。

綜上三點，這意味著在熱絲CVD中，活性基團是沒有可能“繞”到襯底硅片的背面，如圖2所示

圖2 熱絲CVD沉積無“繞鍍”

此外，如果活性基團沒有落到硅片上，而是落在硅片旁邊的載板上，則活性基團會與載板表面反應沉積鍍膜，同時硅片與背面載板之間的距離一般小于1mm，避免了活性基團接觸硅片背面的可能性；或者活性基團發生反應變為其他氣體基團而失去活性，所以此類反應生成的無活性基團，即使碰到硅片的背面，也再無在硅片背面鍍膜的可能性，如圖3所示。

圖3 熱絲CVD無“繞鍍”原理圖

二、石英管管式設備“無法完全避免繞鍍繞擴”的機理解析：

石英管式設備，是“熱壁式CVD”，即石英管內工作區間的溫度是一致的。將其應用在Topcon電池制備領域中（以擴硼1000℃為例），會帶來以下問題：

1、全間距排列的方式，如圖4左側所示:

硅片的兩個表面溫度是一樣的，均在1000℃，且氣體分子會擴散至腔體中所有位置。這意味著硅片兩個表面接觸氣體的概率、發生反應的概率是一樣的。所以該過程中的雙面鍍膜不是“繞”鍍，而是“地位相同 ”的鍍膜；

2、背靠背的方式，如圖4右側所示:

硅片的兩個表面溫度仍是一樣，均在1000℃。但因為兩個硅片之間的距離（縫隙）很小，反應氣體向縫隙中擴散的難度增加了。所以從硅片邊緣到中心位置，反應氣體的濃度會逐步降低。硅片的間隙越小，反應氣體擴散的難度越大，擴散的范圍越小，背面越難產生鍍膜。在實際批量制造過程中，因為硅片中存在各種公差、硅片貼合的重合度差異、硅片翹曲等因素，兩片硅片之間無法做到緊密貼合，硅片之間難免有間隙，所以無法100%做到背面無擴散、無“繞鍍”；

3、反應氣壓低會增加反應氣體的平均自由程:

需要鍍膜/擴散的表面，其均勻性會得到改善，但背面（兩片背靠背模式）的“繞擴”范圍也會相應增大；

4、石英管壁、石英舟等均處在熱場范圍內且與反應氣體接觸:

因為管式爐內溫度足夠高，所以其表面均會與溴化硼/氯化硼等氣體發生反應，造成石英件的腐蝕損耗。

圖4 石英管管式設備“繞鍍”原理圖

對于poly-Si的沉積，存在與上述4點類似的問題：在石英管內，硅烷會在所有溫度超過~600℃的物體表面反應沉積硅薄膜。這就造成了：1）“繞鍍”:2）在石英管和石英舟表面沉積很厚的硅薄膜。隨著硅薄膜的增厚，一是會造成石英器件的損壞；二是會造成石英管內熱場的變化，使得批次之間的工藝發生偏差，給穩定性生產造成不良影響。

綜上，熱壁式CVD（硼擴、磷擴、LPCVD等）的“繞擴繞鍍”和石英管/舟的損耗問題是原理性問題，只能減弱，無法完全消除。

三、 PECVD設備“無法完全避免繞鍍”的機理解析：

PECVD—等離子增強化學氣相沉積，英文名稱：Plasma-Enhanced CVD。在光伏領域，PECVD有石英管式和平板式兩種設備結構。其結構和細節的不同是因為應用領域和鍍膜層的不同，而針對性設計演變而成的，但其基本反應原理是相同的。

以鍍異質結太陽電池非晶硅薄膜的設備為例，如圖5所示：在一個真空腔體中，有上下兩個平板電極，其中一個電極（也是硅片的載板）接地（零電位）；另一個電極接高頻電源（一般是13.56MHz）；通入反應氣體（SiH₄、H₂等），氣體分子在兩個電極之間的高頻震蕩電磁場中發生電離，產生電子和帶電基團（H+、Si_xHy+、e-等），帶電基團進一步相互碰撞或與未電離的氣體分子發生碰撞，進一步電離，發生“雪崩”效應，最終形成穩定的等離子場；這些“帶電”的活性基團“碰撞”襯底（如加熱到200℃左右的硅片），在襯底表面沉積反應生成薄膜。