为什么热丝CVD（HoFCVD）可以实现低成本、快速的微晶硅薄膜制备（HJT电池）？

【概要描述】

分类：技术服务
作者：Haibin Huang
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发布时间：2025-03-10
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该问题可从两个层面来解答：

一是：为什么HoFCVD可以“容易地”实现微晶硅薄膜制备：

相较于PECVD，HoFCVD制备微晶氢气稀释比更低，载板温度要求更低。

为什么HoFCVD制备微晶氢气稀释比更低？同等稀释比下，HoFCVD比PECVD 氢原子活性基团浓度更高。

这是由两者的原理决定的，HoFCVD中，活性基团的平均自由程更高，因此，即使两者产生了相同数量的氢原子，HoFCVD中的氢原子存活时间会更长，因此单位时间内与硅片表面接触的氢原子数量更高：

PECVD中气体分子在高频或甚高频的交变电场作用下与加速电子发生碰撞从而发生电离，当电子数量和离子数量满足一定条件时，会产生雪崩效应，进而产生等离子体。PECVD中为了满足雪崩效应产生的条件并且维持等离子体的浓度，工艺气压需要维持在几十帕甚至几百帕。HoFCVD中，活性基团通过热丝的催化裂解产生，不依赖源气体互相碰撞，因此工艺气压可以很低（~1Pa）。因平均自由程可以近似反比于工艺气压，因此HoFCVD中氢原子的平均自由程是PECVD中的几十甚至上百倍。

为什么HoFCVD制备微晶对载板温度要求更低？在热丝CVD（HoFCVD）反应过程中，其反应大致可以分为3个阶段：

1）气体分子与热丝表面的碰撞反应：

热丝温度非常高（~2000K），其足以分解反应源气体（包括SiH₄、B₂H₆或PH₃、H₂、NO₂、CO₂等），生成Si、O、H、B（或者P）等活性基团，或者Si_xO_zH_a之类的复合或混合活性基团，它们的能量很高（从热丝表面脱离时，仅比热丝温度低几百K）。

2）从热丝表面到衬底之间气相中的反应：

HoFCVD不依赖分子间碰撞产生活性基团，所以腔室内工艺气压很低（~1Pa）。又平均自由程反比于气压，相较于其他工艺气压较高的CVD设备，HoFCVD中的活性基团可以具有更大的平均自由程。因此通过调节热丝与载板间距，可以使HoFCVD中活性基团间几乎不发生碰撞。活性基团携带的能量在气相传输过程中因气体分子间碰撞造成损耗的概率和程度很低，得以携带更高的能量达到衬底表面。

3）在衬底表面的反应：

在衬底表面反应，反应基团的能量（等效温度）为基团落到衬底上携带的能量（温度）以及衬底温度二者的叠加。基于此，衬底表面不需要特别的高温（100-200℃足矣），反应基团携带的能量也足以高到可以得到μc-Si结构；同时，活性H原子基团的能量也足够高到可以将薄膜表面的α-Si结构刻蚀掉。所以，HoFCVD可以容易地实现微晶硅薄膜的制备。

第二层面：为什么HoFCVD可以实现容易的“低成本的快速的”微晶硅薄膜的制备？

PECVD中依靠气体源分子间的相互碰撞以及气体源分子与电子的碰撞来产生活性基团，相当于三维空间中点与点的碰撞。HoFCVD中，活性基团的产生依赖于分子与热丝表面碰撞，相当于点与面的碰撞。

根据分子动力学可以求出相关的碰撞频率，PECVD中碰撞频率（为简化问题，采用硬球模型，并将所有分子的质量与半径看做相等）：