椭偏仪表征薄膜非晶相 | 精准分析不同衬底温度下氢化非晶氧化硅(i-a-SiOₓ:H)薄膜的光学性质与结构

本征氢化非晶氧化硅（i-a-SiOₓ:H）是 a-Si:H/c-Si 异质结太阳电池的重要钝化材料，兼具PECVD低温沉积、带隙宽等优势，但 i-a-SiOₓ:H钝化性能与制备工艺、仪器密切相关；目前室温（25℃）下在n型直拉单晶硅（n-Cz-Si）表面沉积 i-a-SiOₓ:H 时，硅片少子寿命极低，钝化效果差，且衬底温度对其钝化性能的影响尚不明确；Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本研究采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备i-a-SiOₓ:H薄膜，通过微波光电导（MW-PCD）、射频光电导（RF-PCD）测少子寿命，光谱型椭偏仪验晶型，探究不同衬底温度的影响，结果显示薄膜均为非晶相，200℃~220℃时少子寿命最高、钝化效果最优。

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实验材料与设备

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衬底材料：选用n型直拉单晶硅片（n-Cz-Si），晶向为（100），厚度约 180μm，尺寸为 40mm×40mm；硅片经激光切割后，采用RCA清洗法去除表面杂质与氧化层，确保衬底洁净。

实验工艺参数：实验中，仅将衬底温度作为变量，其余工艺参数保持固定：沉积功率 12W、沉积气压 22Pa、反应气体流量比（SiH₄CO₂）为 30.6 mL/min、沉积时间 10min。衬底温度共设置 6 个梯度：25℃（室温）、100℃、180℃、200℃、220℃、250℃，以系统分析温度对钝化性能的影响规律。

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室温沉积 i-a-SiOₓ:H 的性能表征

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(a) 少子寿命随注入浓度变化，(b) 注入浓度1×10¹⁵cm⁻³硅片少子寿命

少子寿命：钝化效果不理想。结果显示室温下该薄膜对 n-Cz-Si 的钝化效果较差。从少子寿命与注入浓度的关系曲线可见，少子寿命随注入浓度增加显著下降，说明沉积后硅片表面仍存在较多空位与缺陷；当注入浓度为 1×10¹⁵cm⁻³ 时，少子寿命仅为 1~2 μs。这一现象与室温沉积 i-a-Si:H 的钝化性能不佳原因相似—低温无法有效钝化硅片表面的悬挂键。

(a) 实部，(b) 虚部

椭偏仪检测：确认为非晶相。采用椭偏仪测试室温沉积薄膜的介电常数（包括实部 ε₁与虚部 ε₂），结果显示：该薄膜的介电常数特征峰与非晶硅的特征峰高度吻合，证明室温下沉积的 i-a-SiOₓ:H 薄膜为非晶相，完全符合实验对钝化层晶型的预期要求。

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不同衬底温度对薄膜钝化性能的影响

少子寿命：先增后减，200℃~220℃最优

(a) 不同注入浓度硅片少子寿命，(b) 注入浓度为1×10¹⁵cm⁻³时少子寿命

不同衬底温度i-a-SiOx:H 膜钝化后硅片少子寿命

以 1 号位置硅片为研究对象，测试不同温度下的少子寿命发现：i-a-SiOₓ:H 的钝化性能与衬底温度高度相关。

当温度低于 100℃时，硅片少子寿命不足 10μs，钝化效果差。原因是低温不利于 SiH₄热分解—而 SiH₄分解产生的硅原子、氢原子（及 H₂中的氢原子），是补偿硅片悬挂键、实现钝化的关键，低温会导致这一过程难以充分进行。

随温度升高，少子寿命呈“先增后减”趋势：220℃时，注入浓度 1×10¹⁵cm⁻³ 条件下，少子寿命达到最大值 747μs。

为验证结果可靠性，对 3 个硅片（均取注入浓度 1×10¹⁵cm⁻³）重复测试，发现 3 个样品的少子寿命随温度变化趋势完全一致，最优钝化温度集中在200℃~220℃（不同位置略有差异）。结合本实验的设备与工艺参数，建议 PECVD 法沉积 i-a-SiOₓ:H 时，衬底温度可设为 210℃，该结论与相关文献研究结果基本一致。

钝化均匀性：温度越高，均匀性越差

i-a-SiOx:H 膜钝化后硅片少子寿命

通过 MW-PCD 对 1 号位置硅片进行少子寿命扫描（扫描图中，深黑色代表少子寿命高，红色代表少子寿命低），结果显示：整块硅片的少子寿命存在不均匀性，且温度越高，不均匀性越明显。这是因为硅片表面各处气流存在差异，导致辉光放电状态不同，进而使薄膜厚度与成分在不同区域出现差异。

两种 PCD 测试方法对比：原理不同，RF-PCD 更可靠

MW-PCD 法测试硅片少子寿命主要特征值（单位：μs）

两种方法均验证了“少子寿命随温度先增后减、220℃达最大”的规律，证明温度对钝化性能的影响具有可靠性。

但两种方法的测试数据存在差异，核心原因是测试原理不同：MW-PCD 为瞬态方法，通过 200ns 波长 904nm 的脉冲激光注入产生非平衡载流子，记录硅片反射微波功率的时间变化；RF-PCD 为非接触式方法，可选择瞬态或准瞬态测试模式。

由于薄膜均匀性较差，少子寿命分布不均，综合来看，RF-PCD 的测试结果更具可靠性。

椭偏仪表征：所有温度下均为非晶相

不同衬底温度沉积i-a-SiOx:H 膜硅片介电常数谱：（a）实部，（b）虚部

对不同温度下沉积的 i-a-SiOₓ:H 薄膜进行椭偏仪测试，结果显示：无论衬底温度如何变化，薄膜的介电常数实部与虚部均符合非晶硅的特征峰，证明所有温度条件下沉积的 i-a-SiOₓ:H 薄膜均为非晶相，完全满足实验设计要求。

本研究明确了衬底温度对i-a-SiOₓ:H薄膜钝化性能的重要影响，确定了200-220℃为PECVD工艺的最佳温度窗口。该研究结果为优化a-Si:H/c-Si异质结太阳电池的界面钝化工艺提供了重要实验依据，对提升太阳电池转换效率具有实际指导意义。

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原文参考：《衬底温度对氢化非晶氧化硅（i-a-SiOx:H）钝化性能的影响研究》

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