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P型和n型掺杂是制备半导体材料中常用的方法，它们对硅片的光学性质有着显著影响。
折射率、消光系数和吸收系数是描述材料光学性质的重要参数，而掺杂对这些参数的影响是非常复杂的。
本文将从这三个方面探讨p型和n型掺杂对硅片光学性质的影响。
折射率是介质对光的折射能力的度量，通常用n表示。
掺杂可以改变硅片的折射率，这是因为掺杂会引入额外的自由载流子，从而改变了介质的电子密度和折射率。
在p型掺杂的硅片中，由于P型杂质原子的电子迁移，使得硅片的折射率有所降低；而在n型掺杂的硅片中，由于N型杂质原子的电子迁移，使得硅片的折射率有所增加。
掺杂浓度的变化也会导致折射率的变化，浓度越高，折射率的变化越明显。
消光系数和吸收系数是描述材料对光的吸收能力的参数。
消光系数α和吸收系数κ之间有关系：α=4πκ/λ，其中λ为光波长。
掺杂会改变硅片对光的吸收，并进而改变其消光系数和吸收系数。
在p型掺杂的硅片中，P型杂质原子的电子会与光相互作用，从而增加了硅片的吸收能力；而在n型掺杂的硅片中，N型杂质原子的电子会减少硅片的吸收能力。
掺杂浓度的变化同样会使消光系数和吸收系数发生变化，浓度越高，吸收能力越强，消光系数和吸收系数也越大。
p型和n型掺杂可以显著地影响硅片的折射率、消光系数和吸收系数。
在实际制备半导体器件时，需要充分考虑掺杂对光学性质的影响，以便设计出性能更优异的器件。
这对于光电子学、半导体激光器等领域的研究和应用具有重要意义。
在研究光学性质时，我们需要注意到除了掺杂类型和浓度外，结构和晶体缺陷也会对硅片的光学性质产生影响。
硅片的晶格缺陷会散射光线，从而增加了光在硅片中的传播路径，导致光学性质的变化。
探讨这些因素对光学性质的影响，有助于我们更全面地理解掺杂对硅片的影响。
1. 结构对光学性质的影响硅片的结构会直接影响其光学性质。
首先要考虑的是硅片的晶格结构，不同晶格结构的硅片对光的响应也不同。
晶体的周期性结构会对入射光线的传播产生干扰，从而影响硅片的折射率和消光系数。
硅片抛光知识点总结一、硅片抛光工艺流程硅片抛光的工艺流程一般包括粗磨、精磨和抛光三个步骤。
具体流程如下：1. 粗磨：在这一步中，硅片表面的划痕和磨损层被去除，通常使用研磨粒径为10-20μm 的研磨料进行研磨。
2. 精磨：在粗磨后，需要进行精细磨削，以达到更高的表面光洁度。
通常使用研磨粒径为3-6μm的研磨料进行研磨。
3. 抛光：最后一步是抛光，通过化学机械抛光（CMP）来去除研磨过程中产生的划痕和光洁度不足的表面，使其达到光学平整度。
二、抛光机理硅片抛光是一种物理和化学结合的加工过程。
在抛光过程中，研磨料与硅片表面发生摩擦和化学反应，导致硅片表面的材料被去除，从而实现平整光滑的表面。
在抛光过程中，研磨料的选择、磨料与硅片表面的相互作用以及抛光液的化学成分都对抛光效果有着重要影响。
三、抛光参数的影响在硅片抛光过程中，有许多参数会影响抛光结果，包括研磨料的类型和粒度、磨削压力、抛光速度、抛光液的成分和浓度等。
其中，研磨料的类型和粒度是最为关键的参数，其选择直接影响到抛光效果和表面质量。
磨削压力和抛光速度对研磨料与硅片表面的接触和作用力有着重要影响，能够调节抛光的表面光洁度和去除率。
而抛光液的化学成分和浓度则能影响到抛光过程中的化学反应，通过增加抛光液中氧化剂或酸碱度来实现更好的抛光效果。
四、抛光质量的评价抛光质量的评价主要包括表面光洁度、平整度和去除率等指标。
表面光洁度是抛光质量的主要指标之一，其能够直接影响到后续工艺的成像和光学特性。
平整度则是表面的平整程度，其影响到晶圆接触的均匀性和光学特性。
而去除率则是指研磨和抛光过程中被去除的硅片材料的厚度，其是评价抛光效果和工艺控制的重要指标之一。
综上所述，硅片抛光是一种关键的半导体加工工艺，其对半导体器件的性能和可靠性具有重要影响。
抛光工艺流程、抛光机理、抛光参数的影响以及抛光质量的评价是硅片抛光的关键知识点，对于理解抛光工艺、优化抛光参数和控制抛光质量具有重要意义。
光刻工艺认识实验报告一、光刻工艺操作1.硅片清洗和表面处理这个步骤由助教老师完成。
所用硅片尺寸：2英寸，厚度为400μm，单面抛光。
掺杂类型：p型。
2.涂胶匀胶机第一、二级转速和各转速的运转时间由助教提前设置好。
分别为：第一级转速500n/min，时间为3秒；第二级转速为4000n/min，时间为60秒。
把处理好的硅片放在承片台正中，按下吸片按钮，硅片被吸住。
检查确定被吸住后，开始滴加光刻胶，确保光刻胶覆盖整个硅片表面后停止。
之后，按下开始按钮，开始匀胶。
等匀胶结束后，按下吸片按钮。
取出硅片，检查匀胶效果。
光刻胶：KMP C5315（北京科华微电子材料有限公司）；匀胶机：SC-1B匀胶机，（北京金盛微纳科技有限公司）。
3.前烘检查确定匀胶效果符合要求后，将硅片放在热板上烘干2分钟，温度为100℃。
烘干结束后，取下硅片。
4.曝光将硅片放在曝光机内，设置好曝光时间9秒，开始曝光。
曝光结束后，取下硅片。
5.显影曝光结束后，将硅片浸没在显影剂中，左右晃动，时间为8秒。
8秒后，取出硅片放入去离子水中清洗。
之后，用氮气吹干表面残留的水。
6.镜检将显影结束后的硅片放在显微镜下，调节显微镜，知道看到清晰的光刻图案。
检查光刻质量。
二、光刻工艺中所用到的试剂及其作用1.光刻胶光刻胶：KMP C5315（北京科华微电子材料有限公司）又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。
感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。
经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像。
作用主要有两个：一是将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中；二是在后续工序中，保护下面的材料。
2.显影液正胶显影液（北京科华微电子材料有限公司），作用是使经曝光后产生的潜影显现成可见影像。
三、光刻工艺中的安全问题1.匀胶过程光刻胶有刺激性气味，对皮肤也有腐蚀，操作必须在通风橱中进行，并戴好手套。
重掺<100>硅单晶抛光片条纹状起伏缺陷研究王云彪，张为才，武永超，陈亚楠（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）摘 要：重掺<100>硅单晶片抛光后经微分干涉显微镜观测，抛光片边缘区域存在条纹状起伏缺陷。
通过分析条纹状起伏缺陷与重掺硅单晶中杂质的分布状况和<100>晶面本身腐蚀特性的关系，阐述了条纹状起伏缺陷形成的机理。
通过工艺试验，对比了不同工艺条件下抛光片表面微观形貌状况，分析了抛光过程中各工艺条件对表面条纹起伏缺陷的影响，采用3步抛光工艺，得到了表面平整和一致性好的抛光片表面，抛光片边缘无条纹起伏缺陷。
关键词：条纹起伏缺陷；微观形貌；抛光片中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1001-3474（2012）05-0312-04Research of Striped Rolling Defects on Heavily Doped <100> Polished Silicon WafersWANG Yun-biao, ZHANG Wei-cai, WU Yong-chao, CHEN Ya-nan(No.46 Research Institute of CETC, Tianjin 300220, China)Abstract: Using differential interference contrast microscope observed striped rolling defects on the edge regions of Heavily doped < 100 > polished silicon wafers. Expounded the formation mechanism of the stripe rolling defects by analyzing the relationship between stripe rolling defects and the impurities distribution in heavily doped silicon crystal and the surface corrosion characteristics of <100> crystal orientation. Compared the surface microtopography with different polishing process conditions, researched the influence of polishing process conditions on surface striped rolling defects. Got polished silicon wafers with highly smooth surface, good consistency and no edge stripe rolling defects using three steps polishing process,.Keywords: Stripe rolling defects; Microtopography; Polished wafers Document Code: A Article ID: 1001-3474(2012)05-0312-04随着半导体工艺技术的不断进步，微机械与微电子电路对硅单晶衬底片的要求越来越高[1,2]。
硅片抛光工艺流程特性下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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硅片抛光是半导体制造过程中的一个重要环节，其目的是去除硅片表面的损伤层和粗糙度，提高硅片的平整度和光洁度，为后续的光刻、蚀刻等工艺提供良好的表面条件。
多层硅外延中自掺杂现象研究引言多层硅外延技术是一种制造半导体器件的重要工艺方法，其具有高效率、高成本效益和高生产率的优点。
在多层硅外延中，自掺杂现象是影响器件性能和可靠性的重要因素之一。
对多层硅外延中自掺杂现象进行深入研究具有重要意义。
自掺杂现象简介在多层硅外延中，自掺杂现象是指外延过程中，硅片表面未经外源掺杂的情况下，硅片内部产生了自掺杂现象。
这种现象会影响硅片的电学性能和材料特性，从而影响器件性能和可靠性。
了解自掺杂现象的形成机理和影响因素对多层硅外延工艺的优化具有重要意义。
自掺杂现象的影响因素在多层硅外延中，自掺杂现象受多种因素的影响。
首先是外延温度，外延温度会影响硅片表面的自掺杂程度，过高或过低的外延温度都会导致自掺杂现象的产生。
其次是外延时间，外延时间过长会增加自掺杂的程度，从而影响硅片的性能。
气氛气体的成分和压力也会影响自掺杂现象的产生。
外延过程中的温度、时间和气氛气体的控制是影响自掺杂现象的主要因素。
自掺杂现象的形成机理多层硅外延中，自掺杂现象的形成机理是一个复杂的过程。
一般来说，自掺杂现象是由外延反应中的杂质和杂质气相扩散导致的。
当外延反应进行时，外延层表面的杂质和杂质气相会发生扩散，当温度和气压适当时，会导致硅片内部产生自掺杂现象。
外延反应中的气氛气体和气压也会影响杂质和杂质气相的扩散，从而影响自掺杂现象的形成。
自掺杂现象的研究方法针对多层硅外延中自掺杂现象的研究，可以采用多种方法进行。
首先是表面分析方法，通过表面分析技术可以观察和分析硅片表面的掺杂情况，从而了解自掺杂现象的形成和发展。
其次是物理性能测试方法，通过测量硅片的导电性、载流子浓度分布等物理性能参数，可以分析自掺杂现象对硅片的影响。
最后是材料特性测试方法，通过测量硅片的机械性能、热学性能等材料特性参数，可以分析自掺杂现象对硅片的影响。
Fe、Cu掺杂及多重掺杂单晶硅材料制备及性能研究
的开题报告
题目：Fe、Cu掺杂及多重掺杂单晶硅材料制备及性能研究
研究背景和意义：
单晶硅材料被广泛用于太阳能电池、半导体、生物医学等领域。
其中掺杂是提高材料性能的重要手段之一。
目前，Fe、Cu元素掺杂单晶硅材料的研究是一个热点话题，这是因为它们可以提高单晶硅的电导率、红外吸收能力和光谱响应等。
另外，多重掺杂的单晶硅材料拥有更好的性能，因此需要深入研究。
研究内容和方法：
本研究主要分为两个步骤，首先是制备Fe、Cu掺杂的单晶硅材料，其次是制备多重掺杂的单晶硅材料，并研究其性能。
制备单晶硅材料的方法包括悬浮液法、Czochralski法等。
在Fe、Cu 掺杂方面，我们将采用半导体复合材料掺杂技术，通过掺入Fe、Cu元素来改变单晶硅的电学性质。
在多重掺杂方面，我们将同时掺入Fe、Cu元素和其他元素，如Al、Mg等，通过适当的掺杂参数和制备条件获得更优异的电学性能。
对于性能研究，我们将使用多种测试方法，包括电学性能测试、光学性能测试等，以及对其在太阳能电池、半导体、生物医学等领域的应用进行实际测试。
研究预期成果：
本研究将以Fe、Cu掺杂及多重掺杂的单晶硅材料为主要研究对象，通过制备方法和参数的优化，获得高质量、高性能的单晶硅材料，并探究其物性。
预计可以在单晶硅材料研究领域做出一定的贡献。
第51卷第3期2022年3月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.51㊀No.3March,2022超薄多晶硅的掺杂、钝化及光伏特性研究宋志成1,2,杨㊀露2,张春福1,刘大伟2,倪玉凤2,张㊀婷2,魏凯峰2(1.西安电子科技大学微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,西安㊀710071;2.青海黄河上游水电开发有限责任公司西安太阳能电力分公司,西安㊀710000)摘要:本文对70nm 超薄多晶硅的掺杂工艺㊁钝化性能及光伏特性进行了研究㊂确定了70nm 超薄多晶硅的掺杂工艺,研究表明当离子注入剂量为3.2ˑ1015cm -3,在855ħ退火20min 时,70nm 超薄多晶硅的钝化性能可以达到与常规120nm 多晶硅相当的水平,且70nm 多晶硅的表面掺杂浓度达到5.6ˑ1020atoms /cm 3,远高于120nm 掺杂多晶硅的表面掺杂浓度(2.5ˑ1020atoms /cm 3)㊂基于70nm 超薄多晶硅厚度减薄和高表面浓度掺杂的特点,较低的寄生吸收和强场钝化效应使得在大尺寸(6英寸)直拉单晶硅片上加工的N 型TOPCon 太阳能电池的光电转换效率得到明显提升,主要电性能参数表现为:电流I sc 升高20mA,串联电阻R s 降低,填充因子FF 增加0.3%,光电转换效率升高0.13%㊂关键词:TOPCon 太阳能电池;多晶硅;掺杂;离子注入;钝化接触;寄生吸收;光电转换效率中图分类号:TM914.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2022)03-0434-07Doping ,Passivation and Photovoltaic Properties of Ultra-Thin Poly-Silicon SONG Zhicheng 1,2,YANG Lu 2,ZHANG Chunfu 1,LIU Dawei 2,NI Yufeng 2,ZHANG Ting 2,WEI Kaifeng 2(1.Key Laboratory of Wide Bandgap Semiconductor Materials and Devices,Ministry of Education,School of Microelectronics,Xidian University,Xi an 710071,China;2.Xi an Solar Power Branch of Qinghai Huanghe Hydropower Development Co.,Ltd.,Xi an 710000,China)Abstract :The doping process,passivation and photovoltaic properties of 70nm ultra-thin poly-silicon were studied in this paper.The optimal doping process for 70nm ultra-thin poly-silicon was identified,the results show that when the ion implantation dose is 3.2ˑ1015cm -3and annealed at 855ħfor 20min,the passivation properties of 70nm ultra-thin poly-silicon is comparable to that of conventional 120nm poly-silicon,and the surface doping concentration value of 5.6ˑ1020atoms /cm 3for 70nm ultra-thin poly-silicon is achieved,which is much higher than that of 120nm doped poly-silicon (2.5ˑ1020atoms /cm 3).Based on the characteristic of reduced thickness and heavy doping for 70nm ultra-thin poly-silicon,the conversion efficiency of TOPCon solar cells processed on large area (6inch)Cz wafers significantly improves due to the low parasitic absorption and excellent filed passivation effect.The I sc is increased by 20mA and 0.3%improvement of FF ,leading to an absolute efficiency gain of 0.13%for the champion conversion efficiency,as well as low series resistance.Key words :TOPCon solar cell;poly-silicon;doping;ion implantation;passivation contact;parasitic absorption;photoelectric conversion efficiency㊀㊀㊀收稿日期:2021-12-16㊀㊀作者简介:宋志成(1985 ),男,湖北省人,硕士研究生㊂E-mail:songzhicheng@ ㊀㊀通信作者:杨㊀露㊂E-mail:yanglu2468@0㊀引㊀㊀言近年来,载流子选择性钝化接触的应用使晶硅太阳能电池的光电转换效率得到很大的提升[1-2]㊂据报道,德国Fraunhofer ISE 研究所开发的N 型背面全金属接触的隧穿氧化物钝化接触(tunnel oxide passivated contact,TOPCon)电池效率达到了25.8%的世界纪录[3-4],并且在P 型单晶氧化物多晶硅(Poly-Si)钝化接触叉指背接触(interdigital back contact,IBC)电池上实现高达26.1%的效率[5]㊂此外,由于TOPCon 电池与行业内现有产线的钝化发射结及背表面接触电池(passivated emitter and rear cell,PERC)具有高度的工艺和设㊀第3期宋志成等:超薄多晶硅的掺杂㊁钝化及光伏特性研究435㊀图1㊀TOPCon 电池结构图Fig.1㊀Structure of TOPCon solar cells 备兼容性,使其成为下一代晶硅电池技术升级的主要方向,TOPCon 电池的结构图如图1所示㊂TOPCon 电池较高的效率优势主要来源电池背面的钝化接触结构,该钝化接触结构由一层超薄的隧穿氧化层二氧化硅和掺杂多晶硅层组成,不仅具有优异的钝化性能和良好的接触性能,而且可以将金属接触与硅基体分离开,从而显著降低金属接触区域的复合,可以极大提升太阳能电池的转换效率㊂产业化多晶硅钝化接触太阳能电池设计中的一个关键因素是多晶硅层的厚度㊂多晶硅层,通常是高浓度掺杂[6-7],厚度为100~300nm [8-9],由于多晶硅寄生吸收的影响,会导致太阳能电池的短路电流(J sc )有显著的降低[10-11]㊂新加坡SERIS 研究所开发的双面monoPoly 6英寸大面积太阳能电池获得了23.4%[12-13]的转换效率,同时天合光能研发的大面积钝化接触太阳能电池的转换效率进一步提升至24.58%[14]㊂但至今为止,关于多晶硅的大部分工作都应用于太阳能电池的背面,并且使用了较厚的多晶硅层(至少大于70nm)[13-15]㊂而光学模拟结果表明多晶硅层厚度应该尽可能地减少[16-17]㊂但是,在不影响界面化学钝化的前提下,超薄多晶硅层的精准掺杂仍然是一项具有挑战性和关键的任务㊂同时,基于离子注入技术对小于100nm 厚度的多晶硅进行磷掺杂,并将其应用于产业化电池中的研究甚少㊂本文不仅对70nm 超薄多晶硅的掺杂特性㊁钝化性能进行了研究,并将磷掺杂超薄多晶硅应用于产业化6英寸(1英寸=2.54cm)大面积钝化接触电池中,所制备的钝化接触电池的电流和光电转换效率得到了明显提升㊂1㊀实㊀㊀验本实验采用158.75mm ˑ158.75mm 规格的N 型Cz 硅片,电阻率范围为0.3~2.1Ω㊃cm,少子寿命ȡ500μs㊂隧穿氧化层的生长和本征多晶硅的沉积由Tempress 公司生产的5管式量产设备完成,采用低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)法生长隧穿氧化层和本征多晶硅㊂此设备可一次性直接完成隧穿氧化层的生长和多晶硅的沉积,且在低压下完成生长工艺,具有成膜致密㊁整舟均匀性好㊁产量大㊁生长速度快㊁工艺成熟等优点㊂采用凯世通ipv-3000机台实现不同离子注入剂量的掺杂㊂实验过程使用到的测试仪器有:电化学电容-电压(electrochemical capacitance-voltage profiler,ECV)测试仪测试样品表面掺杂浓度和掺杂结深,WCT-120Sinton 模块测试对称结构的钝化性能,SENTECH 800激光椭偏仪测试多晶硅的沉积厚度,IV 测试仪测试电池的电性能参数㊂钝化性能监控结构的制备过程:双面制绒后的硅片经过双面刻蚀,再沉积隧穿氧化层和本征多晶硅,然后经过离子注入㊁退火和双面镀膜工艺完成钝化结构的制作,最后经过烧结炉高温烧结完成制作,其结构如图2所示㊂表征钝化性能的参数有隐开路电压i V oc ㊁J 0和寿命,当测试结构钝化性能越好时,i V oc 值越高,寿命越高,J 0值越低㊂图2㊀Poly-Si(N +)钝化性能测试结构Fig.2㊀Poly-Si(N +)passivation performance test structure TOPCon 电池的制备工艺流程如图3所示,首先将原始硅片经过碱制绒形成金字塔陷光结构,再将制绒后的硅片在850~1000ħ进行低压硼扩散,完成前表面发射结掺杂工艺㊂然后进行刻蚀工艺去除硼扩散过程中硅片侧面形成的横向PN 结和正面的硼硅玻璃,并对非扩散面进行抛光处理㊂采用LPCVD 在硅片背面沉积1.5nm 的二氧化硅层和本征多晶硅层㊂通过离子注入磷和高温热处理实现多晶硅层的重掺杂和非晶相到多晶相的转变㊂再通过优化的清洗技术去除正面绕镀的多晶硅层,并在正面沉积钝化叠层薄膜,起到钝化和减少反射的作用㊂最后在电池正反面印刷金属电极收集光生载流子㊂436㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷图3㊀TOPCon电池的制备工艺流程Fig.3㊀Preparation process of TOPCon solar cell2㊀结果与讨论2.1㊀120nm Poly-Si(N+)掺杂曲线与钝化性能常规120nm厚度的多晶硅匹配的离子注入剂量为2.6ˑ1015cm-3,退火条件为875ħ热处理20min,其掺杂曲线和钝化性能如图4所示㊂从图中可看出,120nm掺杂多晶硅的表面掺杂浓度为2.5ˑ1020atoms/cm3,掺杂结深为0.35μm,此时钝化性能达到最优,隐开路电压i V oc为736mV,J0为2fA/cm2㊂图4㊀120nm Poly-Si(N+)上(a)掺杂分布与(b)钝化性能测试Fig.4㊀Doping concentration distribution(a)and passivation performance(b)of120nm Poly-Si(N+)2.2㊀70nm薄Poly-Si的掺杂工艺优化与钝化性能多晶硅沉积的反应气体为高纯硅烷(SiH4),采用炉口和炉尾两个进气口的设计,在高温环境下热分解形成多晶硅薄膜沉积在硅片表面,反应式如下所示:SiH4ʏңSiˌ+2H2ʏ(1)当沉积温度㊁反应压力和气体流量一定时,沉积时间对多晶硅生长厚度有重要影响㊂基于前期实验数据,在沉积时间分别为1300s㊁1700s㊁2100s的工艺条件下可制备厚度90nm㊁120nm和150nm的多晶硅薄膜㊂采用片内测试5点求平均值的方式获得实验数据,并绘制沉积时间与薄膜厚度的散点图,线性拟合得出图5(a)㊂图5㊀(a)多晶硅厚度与沉积时间线性拟合曲线;(b)沉积时间1050s时多晶硅厚度的实际测试值Fig.5㊀(a)Liner fitting curve of poly-silicon thickness and deposition time;(b)value of poly-silicon thickness underdeposition time of1050s㊀第3期宋志成等:超薄多晶硅的掺杂㊁钝化及光伏特性研究437㊀从图5(a)可以看出,沉积时间与多晶硅厚度基本呈线性关系,且对时间变化敏感㊂当沉积时间为2100s时,多晶硅测试厚度为150nm,当沉积时间为1700s时,多晶硅测试厚度为120nm,因此可以通过该曲线预测沉积特定厚度的多晶硅所需要的沉积时间㊂从图中延长线上可以预测,当沉积时间小于1400s 时,可以沉积100nm以下的多晶硅,而当设定沉积时间为1050s时,可生长70nm的本征多晶硅㊂图5(b)为沉积时间1050s时多晶硅厚度的实际测试值,其中取炉口㊁炉中和炉尾三个位置各一片,每片测试5个点,共15个测试点,可以看出实际测试的多晶硅厚度为(70ʃ2)nm,与图5(a)拟合曲线预测的数值基本一致㊂图6为120nm和70nm厚度多晶硅的监控片外观图,可以看出不同厚度的多晶硅对应不同的颜色,可直接从监控片外观进行辨别,这对电池生产过程中多晶硅膜层厚度的监控具有重要指导意义㊂图6㊀沉积120nm和70nm厚度多晶硅的监控片外观图Fig.6㊀Appearance of monitoring wafers deposited with thicknesses of120nm and70nm deposited poly-silicon 此处研究离子注入剂量和退火温度对70nm多晶硅掺杂和钝化性能的影响㊂当离子注入设备稳定运行时,主要通过控制离子注入剂量来调整掺杂浓度,而改变离子注入剂量本质上就是改变离子注入机反应腔体内传输皮带的运行速度㊂当基于产线现有设备进行工艺,多晶硅厚度的减薄会对离子注入剂量要求较高,导致传输带的运行速度太慢,这将不利于设备的稳定运行,产生粘片或卡片的情况㊂故本文同时对70nm薄多晶硅的隧穿氧化层生长工艺进行了优化㊂2.2.1㊀离子注入剂量的影响图7为不同离子注入剂量下多晶硅磷掺杂分布和钝化性能的曲线,样品1至样品3采用的离子注入剂量分别为2.4ˑ1015/cm3㊁2.8ˑ1015/cm3和3.2ˑ1015/cm3㊂其中3.2ˑ1015/cm3为离子注入机台所能实现的最高注入剂量,得到的掺杂曲线如图7(a)所示㊂图7㊀不同条件下Poly-Si(N+)的掺杂分布与钝化性能Fig.7㊀Doping concentration distribution and passivation performance of poly-Si(N+)in different conditions 从图中可以看出,离子注入剂量的增加对多晶硅的掺杂分布和钝化性能影响较小㊂在相同的退火条件下,随离子注入剂量增加,表面掺杂浓度有微弱升高,即当离子注入剂量由2.4ˑ1015cm-3升高到3.2ˑ1015cm-3时,表面掺杂浓度由5.44ˑ1020atoms/cm3升高至6.49ˑ1020atoms/cm3㊂而钝化性能随离子注入剂量的升高呈现先微弱升高后不变的趋势,其中2.4ˑ1015cm-3注入剂量的隐开路电压均值为735mV,2.8ˑ1015cm-3和3.2ˑ1015cm-3注入剂量的隐开路电压均值为737mV㊂此时磷掺杂多晶硅与硅基底形成了良好的隧穿438㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷效应㊂当离子注入剂量为2.8ˑ1015cm-3和3.2ˑ1015cm-3时,隐开路电压均值保持在737mV,表明磷掺杂多晶硅的钝化性能已达到最优,故制作电池确定离子注入的最佳剂量㊂电池电性能测试结果如表1所示㊂从表1可以看出,随离子注入剂量升高,电池的开路电压升高,电流升高,串联电阻R s降低,填充因子FF升高,电池的光电转换效率升高㊂当离子注入剂量为3.2ˑ1015cm-3时,电池开路电压最高为689mV,接触性能好,光电转换效率最高㊂同时,在同一退火条件下,低离子注入剂量对应的多晶硅层表面激活的磷原子较少,影响电池的接触性能,导致串联电阻R s升高,填充因子FF降低㊂而对于较高的离子注入剂量,掺杂多晶硅层的场钝化效果提升较明显,且表面激活的磷原子多,电池的表面钝化和接触性能均得到较大改善,使电池的转换效率得到提高㊂表1㊀基于不同离子注入剂量掺杂的TOPCon电池的I-V参数Table1㊀I-V parameters of TOPCon solar cells doped with different ion implantation doses Group V oc/V I sc/A R s FF/%E ta/%2.4ˑ10150.68510.390.002080.0622.612.8ˑ10150.68610.400.001980.5322.803.2ˑ10150.68910.420.001780.7823.01 2.2.2㊀退火时间的影响固定隧穿氧化层生长温度和多晶硅的沉积时间,采用相同的离子注入剂量3.2ˑ1015cm-3,相同的退火温度855ħ,研究退火时间对磷掺杂特性的影响,退火时间分别为15min㊁20min㊁25min㊂图8㊀不同退火时间下Poly-Si(N+)的掺杂分布和钝化性能Fig.8㊀Doping concentration distribution and passivation performance of Poly-Si(N+)annealing for different time 图8为不同退火时间的磷掺杂多晶硅掺杂曲线和钝化性能测试结果,由图中可以看出,当氧化层厚度和退火温度一定时,随退火时间延长,掺杂结深增加,即当退火时间从15min增加至20min和25min时,掺杂结深由0.2μm增加至0.25μm和0.3μm㊂表面浓度稍有下降,但均保持在5.2ˑ1020atoms/cm3以上,而隐开路电压均值i V oc呈现先升高后降低的现象,在退火时间为20min时达到最高值736mV,钝化性能达到最优㊂综合以上得出70nm多晶硅的最优掺杂条件为:离子注入剂量3.2ˑ1015/cm3,在855ħ退火20min时,其钝化性能可与120nm poly-Si(N+)的钝化性能相媲美,此时70nm掺杂多晶硅的表面掺杂浓度为5.6ˑ1020atoms/cm3,高于120nm掺杂多晶硅的表面掺杂浓度(2.7ˑ1020atoms/cm3),而高表面浓度更有利于电池的金属接触特性㊂2.3㊀基于70nm Poly-Si(N+)电池的电性能研究基于以上最优实验结果,制备70nm掺杂多晶硅的TOPCon电池,实验同时制作120nm掺杂多晶硅的TOPCon电池作为对比组,图9为不同厚度多晶硅的掺杂曲线,电池电性能测试结果如表2所示㊂㊀第3期宋志成等:超薄多晶硅的掺杂㊁钝化及光伏特性研究439㊀图9㊀不同厚度多晶硅的掺杂曲线Fig.9㊀Doping concentration distribution of Poly-Si(N+)with different thickness表2㊀基于不同厚度多晶硅的TOPCon电池的I-V参数Table2㊀I-V results of TOPCon solar cells featuring with different thickness of poly-silicon Group V oc/V I sc/A R s FF/%E ta/%70nm Poly-Si0.69110.470.002081.3023.34 120nm Poly-Si0.69110.450.002381.0023.21从图9可知70nm超薄多晶硅的表面掺杂浓度远高于120nm多晶硅的表面掺杂浓度,且70nm超薄Poly-Si电池效率具有明显的优势(见表2)㊂主要参数表现在电流I sc升高20mA,串联电阻R s降低,填充因子FF增加0.3%㊂其中电流升高是因为背面多晶硅减薄后寄生吸收减小,降低了背面多晶硅吸光的损失,而串联电阻降低和填充因子升高是因为70nm多晶硅表面掺杂浓度升高导致电池接触变好,因此70nm超薄Poly-Si电池效率得到明显提升㊂3㊀结㊀㊀论通过调整隧穿氧化层生长工艺和多晶硅沉积时间,制备了70nm超薄的本征多晶硅,并对离子注入剂量和退火时间进行了优化,确定了70nm超薄多晶硅的最优掺杂工艺㊂研究表明对于70nm超薄多晶硅,离子注入剂量的增加对多晶硅的掺杂分布和钝化性能影响较小,而退火时间对掺杂结深影响较大,这是因为工艺优化后的隧穿氧化层能够阻挡大量的磷原子进入基体硅,此时退火时间对掺杂结深的影响占主导作用㊂工艺优化后,70nm超薄多晶硅的钝化性能达到最优,与120nm Poly-Si(N+)的钝化水平相当,隐开路电压i V oc 平均值可达到736mV,且此时70nm超薄多晶硅的表面掺杂浓度是常规120nm的约2倍,达到5.6ˑ1020atoms/cm3㊂基于70nm多晶硅的高表面浓度掺杂和厚度减薄的特点,对应TOPCon电池的电流I sc 升高㊁串联电阻R s降低,填充因子FF升高,电池的光电转换效率得到明显提升㊂参考文献[1]㊀NANDAKUMAR N,RODRIGUEZ J,KLUGE T,et al.21.6%monoPoly TM cells with in situ interfacial oxide and poly-Si layers deposited byinline PECVD[C]//2018IEEE7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion(WCPEC).June10-15,2018,Waikoloa,HI,USA.IEEE,2018:2048-2051.[2]㊀CHEN Y,CHEN D,ALTERMATT P P,et al.25%large area industrial silicon solar cell[C].Learning From History and Future Perspective.in:36th EUPVSEC,Marseille,France,Proc.36th EUPVSEC,2019.[3]㊀GREEN M A,KEITH 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2020年12月第44卷 第12期Vol.44No.12Dec.2020 MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGDOI：10.11973/jxgccl202012004磁控溅射不同元素掺杂ws2薄膜的组织和纳米压痕力学性能贺江涛V,蔡海潮3,薛玉君1,2,杨芳2,马喜强2(河南科技大学1.机电工程学院，2.河南省机械设计及传动系统重点实验室，洛阳471003；3.洛阳轴承研究所有限公司，洛阳471039)摘要：采用磁控溅射法在不同沉积压力(0.8,1.2Pa)下分别制备WS?薄膜,Ti/WS2复合薄膜和La-Ti/WS2复合薄膜，研究了薄膜的组织结构和纳米压痕力学性能。
结果表明：WS2薄膜呈疏松多孔结构，晶粒粗大，孔洞较多，组织致密性差；与WS2薄膜相比,Ti/WS2复合薄膜的晶粒尺寸减小，组织变得致密，掺杂铜后薄膜的晶粒尺寸进一步减小，组织更致密；锢的掺杂还降低了薄膜中硫与鸽的原子比，增加了硬质鸽相的相对含量，提高了薄膜的硬度和变形抗力。
关键词：磁控溅射；WS?薄膜；魏掺杂；晶粒尺寸；纳米压痕力学性能中图分类号：TG174.444文献标志码：A文章编号：1000-3738(2020)12-0024-05 Microstructure and Nanoindentation Mechanical Properties of WS2Film with Different Doping Elements by Magnetron SputteringHE Jiangtao12,CAI Haichao'3,XUE Yujun12,YANG Fang2,MA Xiqiang2(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, 2.Henan Key Laboratory for Machinery Design andTransmission System,Henan University o£Science and Technology,Luoyang471003,China；3.Luoyang Bearing Research Institute Co.,Ltd.,Luoyang471039,China)Abstract:The WS2film,Ti/WQ composite film and La-Ti/WQ composite film were prepared by magnetron sputtering under different deposition pressures(0.8, 1.2Pa).The microstructure and nanoindentation mechanical properties of the films were studied.The results show that the WS2film had a loose and porous structure with coarse grains and many pores;the density of microstructure was pared w让h those of the WS2film,the grain size of the Ti/WQ composite film was reduced and the structure was densified.The doping of lanthanum further reduced the grain size of the film,and the microstructure was more compact.The doping of lanthanum also reduced the atomic ratio of sulfur to tungsten in the film,increased the relative content of the hard tungsten phase,and finally increased the hardness and deformation resistance of the film.Key words:magnetron sputtering；WS2film；lanthanum doping；grain size；nanoindentation mechanical property0引言随着航空航天技术的发展，固体润滑涂层在空间运动机构的润滑方面得到了广泛应用。
