炬丰科技-半导体工艺》薄膜太阳能电池PECVD方法

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：薄膜太阳能电池PECVD方法

编号：JFKJ-21-656

作者：炬丰科技

多尺度建模技术被广泛应用于多个科学领域以解决复杂的物理现象研究问题。其中一种重要的工艺是等离子体增强型化学气相沉积工艺，在这一过程中通过引入等离子体能量显著提升了薄膜生长效率。为了提高分析精度和模拟效果研究者们倾向于采用基于计算流体动力学分析的方法对材料性能进行全面评估同时这一方法也为开发更高效率的薄膜式太阳能电池组件提供了重要参考依据。此外并行计算系统被大量应用于加速数值模拟过程从而显著提升了研究效率

摘要

这项工作的核心是多尺度计算流体动力学（CFD）模拟框架的发展。该框架旨在为等离子体增强化学气相沉积薄膜太阳能电池提供支持。我们开发了一个宏观CFD模型，该模型能够精确地再现二维轴对称反应器内等离子体化学和输运过程。通过与a-Si:H薄膜表面的动态相互作用建模，并采用一种描述薄膜生长的新Monte Carlo方法，在此基础上建立了多尺度CFD模型。尽管如此，在实际应用中遇到了巨大的计算挑战，在这种情况下我们提出了一种并行计算策略。通过将气相网格与微观薄膜生长过程相结合的方法离散化处理后, 大大降低了计算时间40%以上. 最后我们将这一多尺度CFD模型应用于工业相关的PECVD工艺条件中发现非晶硅薄膜在晶圆边缘处的生长速率不均匀性超过20%.

介绍

本文构建了一个多尺度的CFD模型，并成功捕捉了PECVD系统中宏观与微观区域之间的相互关联。该模型适用于在工业相关条件下（温度为475 K、压力为1托，并且氢与硅烷气体的比例为9:1）对a-Si:H薄膜进行PECVD工艺模拟。在宏观尺度上设置了包含12万个单元的结构化网格来离散腔室反应器的几何形状，并通过ANSYS Fluent软件作为一个框架性工具，在求解动量、质量和能量方程方面发挥了重要作用。为了优化Fluent体系结构使其更适合非晶硅薄膜沉积的具体应用需求，在模拟域间通信协调机制上进行了创新设计；同时实现了三个用户定义函数（UDF）。第一个UDF涵盖了34种普遍存在的气相反应过程；第二个UDF依据Park等人的研究工作提供了精确描述电子密度分布图的方法；第三个UDF则采用了混合动力学蒙特卡罗算法来模拟表征微观区域复杂表面现象的关键参数分布情况。

过程描述与建模

在本研究工作中所使用的PECVD反应器被视为CVD反应器中一类常见的子类别，并被称为室式平行板型反应器。本研究采用了一个具有圆形容纳能力、晶圆直径为20厘米、淋浴头间距达到3厘米的具体几何构造。pecvd工艺通常将物质分解为两种不同的层次行为模式：宏观气相与微观表面相互作用。图1详细展示了该过程的多层次特性，并解释了由于不同层次间的相互影响关系，在多个层次上进行动态行为建模是必要的。

除了先前对传输及反应现象的详细阐述外，在生长薄膜表层区域中存在一种独特的相互作用机制。具体而言，在膜表层附近分布着细胞群体，在这一区域中膜与细胞通过共享质量和能量实现信息传递。其中，在特定条件下硅烷类物质如SiH3及其伴随的H自由基附着于薄膜表面导致质量损失。反之，在表面解离的过程中释放了这些物质作为质量来源。此外，在化学吸附过程中能量以共价键断裂及形成的方式被消耗并释放出来。因此，在计算时我们引入了相应的Sh及Si参数来反映这一过程的影响。为了便于理解这里需要注意的是我们的微观模拟并非对每个边界单元进行单独计算而是聚焦于晶圆表面的一些离散位置（例如本研究选取了r=0.0至10.0 cm范围内的十个代表性点）。随后我们利用线性插值方法将这些点的数据合理地分配到其他未直接模拟的位置上以保证整体计算结果的一致性和准确性

多尺度CFD分析

在大范围内研究发现，在沉积物中的某些化学物质SiH3和H呈现出明显的分布差异

总结

该研究构建了一个多尺度CFD模拟体系框架，并将其应用于PECVD硅片生产过程分析中。在宏观层面运用二维轴对称网格配合有限差分法对PECVD加工区域进行了离散处理，在质量、动量与能量平衡方程求解上取得了突破性进展。研究者沿晶圆直径20厘米边界线位置开展深入探索，在微观层面引入了混合动力学蒙特卡罗算法来解析薄膜生长过程中的复杂动态特征。通过系统性开发并验证了一种高效的并行计算策略，在大幅减少多尺度CFD模型计算负担的同时实现了其他局部模型的有效运行支持。将宏观建模与微观模拟有机整合起来后，在深入剖析PECVD系统运行规律方面形成了独特见解；具体而言，在观察到薄膜生长速率（20%）及氢分布不均现象基础上可推断出优化反应器几何结构与流动参数设置的可能性。