为什么热丝CVD可以做到完全“无绕镀”？

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分类：技术服务
作者：Haibin Huang
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发布时间：2025-03-28
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一、热丝CVD“无绕镀”的机理解析：

热丝CVD，又名催化化学气相沉积，其英文名称有：Catalytic-CVD(Cat-CVD)、Hot-wire CVD(HWCVD)、Hot Filament CVD(HoFCVD)。其镀膜的基本原理如图1所示：在一个真空腔体中，通过直流电加热特种金属热丝，使热丝的温度维持在一定温度（1700-2000℃）；再通入反应气体（SiH4、H2等），反应气体与高温热丝碰撞，发生催化裂解反应，生成多种具有强活性的“不带电”基团（Si、H、SixHy等）；这些活性基团从热丝表面脱附后，随机向四周发射，“落到”衬底上（如加热到200℃左右的硅片），在衬底表面反应沉积生成薄膜。

图1 热丝CVD镀膜原理

无绕镀的机理分析：

1、硅烷、氢气等源气体，只有碰到热丝才能被催化裂解，生成活性基团；

2、活性基团从热丝上脱附向四周运动，其向各个方向移动的概率是相等的，类似于白炽灯的“发光”；

3、活性基团的平均自由程为“10cm”左右，几乎等于热丝到硅片/载板的距离；同时活性基团从热丝表面到硅片之间的运动可认为，气体基团之间没有碰撞反应发生，基团在空间中的运动是无干扰的。

综上三点，这意味着在热丝CVD中，活性基团是没有可能“绕”到衬底硅片的背面，如图2所示

图2 热丝CVD沉积无“绕镀”

此外，如果活性基团没有落到硅片上，而是落在硅片旁边的载板上，则活性基团会与载板表面反应沉积镀膜，同时硅片与背面载板之间的距离一般小于1mm，避免了活性基团接触硅片背面的可能性；或者活性基团发生反应变为其他气体基团而失去活性，所以此类反应生成的无活性基团，即使碰到硅片的背面，也再无在硅片背面镀膜的可能性，如图3所示。

图3 热丝CVD无“绕镀”原理图

二、石英管管式设备“无法完全避免绕镀绕扩”的机理解析：

石英管式设备，是“热壁式CVD”，即石英管内工作区间的温度是一致的。将其应用在Topcon电池制备领域中（以扩硼1000℃为例），会带来以下问题：

1、全间距排列的方式，如图4左侧所示:

硅片的两个表面温度是一样的，均在1000℃，且气体分子会扩散至腔体中所有位置。这意味着硅片两个表面接触气体的概率、发生反应的概率是一样的。所以该过程中的双面镀膜不是“绕”镀，而是“地位相同 ”的镀膜；

2、背靠背的方式，如图4右侧所示:

硅片的两个表面温度仍是一样，均在1000℃。但因为两个硅片之间的距离（缝隙）很小，反应气体向缝隙中扩散的难度增加了。所以从硅片边缘到中心位置，反应气体的浓度会逐步降低。硅片的间隙越小，反应气体扩散的难度越大，扩散的范围越小，背面越难产生镀膜。在实际批量制造过程中，因为硅片中存在各种公差、硅片贴合的重合度差异、硅片翘曲等因素，两片硅片之间无法做到紧密贴合，硅片之间难免有间隙，所以无法100%做到背面无扩散、无“绕镀”；

3、反应气压低会增加反应气体的平均自由程:

需要镀膜/扩散的表面，其均匀性会得到改善，但背面（两片背靠背模式）的“绕扩”范围也会相应增大；

4、石英管壁、石英舟等均处在热场范围内且与反应气体接触:

因为管式炉内温度足够高，所以其表面均会与溴化硼/氯化硼等气体发生反应，造成石英件的腐蚀损耗。

图4 石英管管式设备“绕镀”原理图

对于poly-Si的沉积，存在与上述4点类似的问题：在石英管内，硅烷会在所有温度超过~600℃的物体表面反应沉积硅薄膜。这就造成了：1）“绕镀”:2）在石英管和石英舟表面沉积很厚的硅薄膜。随着硅薄膜的增厚，一是会造成石英器件的损坏；二是会造成石英管内热场的变化，使得批次之间的工艺发生偏差，给稳定性生产造成不良影响。

综上，热壁式CVD（硼扩、磷扩、LPCVD等）的“绕扩绕镀”和石英管/舟的损耗问题是原理性问题，只能减弱，无法完全消除。

三、 PECVD设备“无法完全避免绕镀”的机理解析：

PECVD—等离子增强化学气相沉积，英文名称：Plasma-Enhanced CVD。在光伏领域，PECVD有石英管式和平板式两种设备结构。其结构和细节的不同是因为应用领域和镀膜层的不同，而针对性设计演变而成的，但其基本反应原理是相同的。

以镀异质结太阳电池非晶硅薄膜的设备为例，如图5所示：在一个真空腔体中，有上下两个平板电极，其中一个电极（也是硅片的载板）接地（零电位）；另一个电极接高频电源（一般是13.56MHz）；通入反应气体（SiH₄、H₂等），气体分子在两个电极之间的高频震荡电磁场中发生电离，产生电子和带电基团（H+、Si_xHy+、e-等），带电基团进一步相互碰撞或与未电离的气体分子发生碰撞，进一步电离，发生“雪崩”效应，最终形成稳定的等离子场；这些“带电”的活性基团“碰撞”衬底（如加热到200℃左右的硅片），在衬底表面沉积反应生成薄膜。