提出了基于數(shù)字模擬的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD) 沉積氮化硅薄膜的工藝參數(shù)決策方法。氮化硅薄膜的主要影響因子和質(zhì)量特性參數(shù)通過領域知識和專家意見先期獲得，通過單因素物理試驗獲得工藝參數(shù)和質(zhì)量特性參數(shù)之間的關(guān)系，通過數(shù)字模擬的正交試驗獲得z*佳的工藝參數(shù)?？紤]到PECVD沉積氮化硅薄膜實驗所需的時間和費用，基于數(shù)字模擬的PECVD沉積氮化硅薄膜的工藝參數(shù)決策方法可以在數(shù)據(jù)離散化、領域知識不充分的環(huán)境中高效經(jīng)濟地進行工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇。
等離子體增強化學氣相沉積( PECVD) 是利用輝光放電的物理作用來激活粒子的一種化學氣相沉積( CVD) 反應，是集等離子體輝光放電與CVD 于一體的薄膜沉積技術(shù)。PECVD沉積氮化硅的過程溫度僅需300 ～400℃，因此氮化硅不會出現(xiàn)因溫度過高引起器件失效的問題。此外，PECVD法還可以通過改變沉積參數(shù)的方法制備不同應力狀態(tài)的薄膜以滿足不同的需要。
采用PECVD技術(shù)制備薄膜材料時，薄膜的生長主要包含以下三個基本過程：s*先，在非平衡等離子體中，電子與反應氣體發(fā)生初級反應，使得反應氣體發(fā)生分解，形成離子和活性基團的混合物；其次，各種活性基團向薄膜生長表面和管壁擴散輸運，同時發(fā)生各反應物之間的次級反應；z*后，到達生長表面的各種初級反應和次級反應產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應，同時伴隨有氣相分子物的再放出。采用PECVD法獲得的SiNx: H 薄膜能對氮化硅起到表面鈍化和體鈍化的作用，成為一種能大幅度提高多晶硅太陽電池效率的多功能減反射膜材料。PECVD沉積過程中不同的沉積參數(shù)會顯著影響氮化硅薄膜的質(zhì)量特性，因此有必要對其進行合理優(yōu)化以確保質(zhì)量特性滿足要求。
目前多數(shù)研究都試圖通過物理實驗優(yōu)化PECVD沉積氮化硅薄膜的沉積參數(shù)。文獻針對氮化硅薄膜沉積過程中出現(xiàn)的薄膜破裂及純度不高的現(xiàn)象進行了工藝參數(shù)優(yōu)化，得到了較為合適的高頻電場概率，使之可以在較低溫度下，以較快沉積速率得到高純度的氮化硅薄膜；Schmidt 和Kerr通過測試不同沉積條件下的多數(shù)載流子壽命研究了氮化硅薄膜的沉積參數(shù)優(yōu)化及其表面鈍化性能；Wright通過沉積試驗和紅外光譜的傅里葉變換方法研究了PECVD沉積氮化硅薄膜的光學性質(zhì)和腐蝕速率以及它們之間的關(guān)系；王權(quán)等研究了不同襯底條件對薄膜質(zhì)量特性的影響；陳喜平等對放電功率對薄膜生長特性的影響進行了仿真模擬。然而，物理實驗需要極高的人力和物力成本，有鑒于此，Kim 等提出了一種使用神經(jīng)元網(wǎng)絡來預測氮化硅薄膜折射率的方法，通過析因?qū)嶒灤_定折射率與射頻功率、反應溫度、壓力、氣體總流量等工藝參數(shù)之間的關(guān)系式，用以預測PECVD沉積氮化硅薄膜的折射率，但此類預測方法需要大量的先驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)訓練結(jié)果具有較高的敏感性。
本文提出了基于數(shù)字模擬的PECVD沉積氮化硅薄膜的工藝參數(shù)決策方法，綜合了單因素試驗和數(shù)字模擬的正交試驗設計兩種優(yōu)化方法。氮化硅薄膜的主要影響因子和質(zhì)量特性參數(shù)通過領域知識和專家意見先期獲得，通過單因素物理試驗獲得工藝參數(shù)和質(zhì)量特性參數(shù)之間的關(guān)系，通過數(shù)字模擬的正交試驗獲得z*佳的工藝參數(shù)。考慮到PECVD沉積氮化硅薄膜實驗所需的時間和費用，基于數(shù)字模擬的PECVD沉積氮化硅薄膜的工藝參數(shù)決策方法可以在數(shù)據(jù)離散化、領域知識不充分的環(huán)境中高效經(jīng)濟的進行工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇。
1、基于數(shù)字模擬的PECVD沉積氮化硅薄膜的工藝參數(shù)優(yōu)化
參數(shù)選擇是PECVD沉積氮化硅薄膜的關(guān)鍵步驟之一?；跀?shù)字模擬的PECVD沉積氮化硅薄膜的工藝參數(shù)決策方法是綜合了單因素試驗和數(shù)字模擬的正交試驗設計的整體優(yōu)化方法。通過單因素物理試驗獲得工藝參數(shù)和質(zhì)量特性參數(shù)之間的關(guān)系，通過數(shù)字模擬的正交試驗獲得z*佳的工藝參數(shù)。
1.1、影響氮化硅薄膜質(zhì)量的影響因子
本文選取了沉積速率、折射率、均勻度、少子壽命作為評判薄膜質(zhì)量優(yōu)劣的四個表征量。
(1) 沉積速率的大小影響薄膜的光學和物理性能。在實際生產(chǎn)中，需要選擇z*合適的沉積速率來控制生產(chǎn)節(jié)奏，提高生產(chǎn)效率。采用橢偏儀測量氮化硅薄膜的厚度，除以薄膜沉積時間，得到氮化硅薄膜的平均沉積速率。
(2) 折射率的高低主要決定于膜中各原子的含量，H 含量高則折射率偏低，Si含量高折射率會偏高。采用橢偏儀直接測量氮化硅薄膜的折射率。
(3) 均勻度是氮化硅薄膜物理、化學性能的直接決定條件，本文定義均勻度= [(z*大膜厚-z*小膜厚) /(z*大膜厚+ z*小膜厚) ]。均勻度的數(shù)值越小，表明薄膜越均勻。
(4) 少子壽命一般用來表征鈍化效果，少子壽命越高，太陽電池的短路電流、開路電壓越高，鈍化效果越好。
1.2、沉積工藝參數(shù)選擇的決策方法
基于數(shù)字模擬的PECVD沉積氮化硅薄膜工藝參數(shù)選擇的決策方法與流程如圖1。s*先利用單因素物理試驗確定所有單個影響因子與質(zhì)量特性的關(guān)系，擬合成數(shù)學關(guān)系式，之后引入基于數(shù)字模擬的正交試驗代替進行正交物理試驗。利用單因素物理過程擬合的過程輸入和質(zhì)量特性的關(guān)系式，按照下面給出的方法和公式來計算正交試驗中過程輸出，從而省略實際的多因素正交試驗。
3、結(jié)論
本文提出了基于數(shù)字模擬的PECVD制備氮化硅薄膜的工藝參數(shù)決策方法，提高了在數(shù)據(jù)離散化、領域知識不充分條件下的工藝參數(shù)決策效率和經(jīng)濟性。s*先利用單因素試驗確定所有主要影響因子以及這些影響因子和質(zhì)量特征值之間關(guān)系式；在此基礎上，使用正交試驗的方法來z*終確定z*優(yōu)的工藝參數(shù)。在使用正交試驗時，在基于單因子試驗得到影響因子和質(zhì)量特征值的關(guān)系式的基礎上，利用數(shù)字模擬的方法來得到正交試驗的各項輸出，采用增加修正量的方法，在單因素實驗數(shù)據(jù)基礎上，計算正交實驗輸出結(jié)果。案例研究表明基于數(shù)字模擬的PECVD沉積氮化硅薄膜的工藝參數(shù)決策方法可以在數(shù)據(jù)離散化、領域知識不充分的環(huán)境中高效經(jīng)濟的進行工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇。
