CN101660131B

CN101660131B - 一种磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法

Info

Publication number: CN101660131B
Application number: CN2009100241172A
Authority: CN
Inventors: 马胜利; 王利
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: CN101660131A

Abstract

本发明公开了一种磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，该方法将基体预处理后放入磁控溅射镀膜设备中，以平面Si靶作为Si元素的来源，通过调整中频脉冲电源的功率控制Si靶的溅射率；采用高纯Ar气作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯H₂气作为反应气体，使其离化并与Si元素结合，在基体表面沉积形成氢化硅薄膜，该薄膜在真空下550-950℃退火可得到具有纳米晶/非晶的复合结构。本发明通过改变氢气通入比例来达到对氢化硅薄膜微观结构的调控，进而改变薄膜的光电性能。本发明制备方法简单、可靠，制得的氢化硅薄膜有望在太阳能电池上获得应用。

Description

一种磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料的制备，特别涉及一种在单晶Si(100)片、石英玻璃片和普通玻璃片基体上制备氢化硅薄膜的方法，该方法制备的氢化硅薄膜，具有微结构可调控，能带间隙可变化的特性，有望在太阳能电池材料上获得广泛应用。

背景技术

近年来，太阳能作为一种清洁能源引起了人们的广泛关注，太阳能电池则是将太阳光能直接转换成电能的一种器件。现今，硅太阳能电池占据了太阳能电池的主导地位。目前，晶体硅太阳能电池已经产业化，但硅原材料的短缺和昂贵的价格成本限制了晶体硅太阳能电池的广泛应用。所以，基于薄膜技术的太阳能电池得到了迅速发展。硅薄膜是太阳能电池器件中的关键材料，其制备工艺以及微观结构直接影响薄膜材料的生产成本、电池转化效率和稳定性。

硅薄膜太阳能电池材料主要分为非晶硅、纳米晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜。不同结构的硅薄膜具有不同的光电性能。非晶硅属于直接带隙材料，具有很好的光吸收特性。目前，非晶硅薄膜太阳能电池的转化率已超过10％，进一步提高非晶硅太阳能电池转化率可以通过提高其电导率，宽化其能带间隙等方式来实现。研究表明，含有晶体结构的硅薄膜具有较好的光电学性能，具有纳米晶/非晶复合结构的硅薄膜电导率可达10^-3～10^-1Ω^-1cm^-1，其导电性远高于非晶硅薄膜材料；而其能带间隙亦可达2.0ev左右，可见纳米复合结构的硅薄膜是优良的太阳能电池材料。

硅薄膜制备方法目前主要有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和热丝化学气相沉积(HFCVD)以及磁控溅射沉积(MS)等，其中，通过PECVD制备硅薄膜的方法最为多见，通过改变PECVD工艺参数：SiH₄/H₂流量比、衬底温度、射频功率、反应室压力以及基板负偏压等都可以对硅薄膜微结构产生重要影响。近年来，利用磁控溅射镀制太阳能硅薄膜的方法也越来越受到研究者的重视，一般来讲，利用磁控溅射技术镀制的硅薄膜中通常含有较多悬挂键，且缺陷较多。所以在磁控溅射镀制硅薄膜过程中，需要通入一定量的氢气，向薄膜中引入H原子，H原子能够中和硅薄膜中的悬挂键，饱和或部分饱和薄膜中的缺陷态，因此，形成的含氢的硅薄膜(Si:H)一般称为氢化硅。但是H原子的引入也带来一些不利影响，如H原子在薄膜中扩散，容易引起弱Si-Si键的断裂和H的聚集，导致缺陷的移动和密度的增加。研究表明具有一定纳米晶或微晶成分的氢化硅薄膜很好地解决了这一问题，其有序结构降低了S-W效应，改善了硅薄膜的稳定性。在磁控溅射制备氢化硅薄膜过程中，氢气比例H₂/(H₂+Ar)，沉积气压，衬底温度，偏压等参数的变化都会对氢化硅薄膜的结构产生影响，通过工艺参数的改进，可以实现对薄膜结构的调控，从而改变薄膜的性能。

发明内容

本发明的任务在于提供一种可调节其微结构的氢化硅薄膜制备方法，该方法制备的新型纳米晶/非晶复合结构的氢化硅薄膜，可以优化传统硅薄膜的光电性能，从而提高薄膜太阳能电池的使用效率。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将基体预处理后放入磁控溅射镀膜设备真空室中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，同时自转，保证镀膜过程的均匀性；

2)以平面Si靶作为相应元素的来源，平面Si靶以对靶的方式安置在炉体内壁上；

3)将真空室的气压抽至10^-4～10^-3Pa，加热基体，使基体温度为200～250℃；

4)真空室通入Ar气并开负偏压对真空室和基体进行轰击清洗；

5)关闭Ar气，将真空室的气压再次抽至10^-4～10^-3Pa，接着同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为10％～80％，当真空室气压上升至0.3～0.5Pa，调整负偏压到-100V，打开Si靶的控制电源，将Si靶的电源功率调至2～4kW，沉积时间为60～120min，得到氢化硅薄膜。

上述方案中，所述基体包括单晶Si片、石英玻璃片或普通玻璃片。

所述在单晶硅片沉积的氢化硅薄膜可以在真空炉内550～950℃退火，退火时间为60～120min。

所述步骤4)中，通入Ar气的流量为16～24sccm，当真空室气压达到4～8Pa并保持该气压，开负偏压至-800V～-1000V，对真空室和基体进行轰击清洗，持续20～40min。

所述步骤5)中，同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为20％～60％。

本发明通过改变氢气通入比例来达到对氢化硅薄膜微观结构的调控，进而改变薄膜的光电性能。采用本发明方法制备的氢化硅薄膜表面平整，致密性好且与基材结合紧密，薄膜厚度大约为200～900nm。本发明在单晶硅片和石英片上生长的薄膜通过后期真空热处理，可提高薄膜中Si的晶化率，进而使得沉积态非晶氢化硅薄膜中出现纳米晶粒结构。

采用本发明镀膜过程中，通入氢气比例在40％左右时，薄膜中最容易出现纳米晶结构；而200～250℃下沉积的氢化硅薄膜则比低温下沉积的薄膜更容易结晶。采用本发明制备氢化硅薄膜，可以通过调节通入氢气比例从10％～80％变化，来达到对氢化硅薄膜微结构的调控，薄膜中晶粒尺寸可从几纳米变化到几十纳米，而薄膜的晶化率也可从百分之十几变化到百分之五六十。氢化硅薄膜的电导率在10^-8～10^-3Ω^-1cm^-1范围内变化，而其能带间隙在1.2～2.8ev之间可调。

从而，本发明实现了氢化硅薄膜微结构可调控，薄膜光电性能可优化的特点。本发明制备方法简单、可靠，制得的氢化硅薄膜有望在太阳能电池上获得成功应用。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明磁控溅射镀膜设备结构示意图。图中：1、真空室；2、转台架；3、偏压；4、转架杆；5、平面Si靶；6、永磁体；7、加热器；8、抽真空泵组。

图2为实施例1氢化硅薄膜表面形貌扫描电镜图。

图3为实施例2氢化硅薄膜截面形貌扫描电镜图。

图4为实施例3氢化硅薄膜高分辨透射电镜图像。

具体实施方式

本发明采用磁控溅射技术(MS)制备氢化硅薄膜，包括在单晶Si(100)片，石英玻璃片，普通载玻片上制备氢化硅薄膜的方法：

(1)将单晶Si(100)片、普通载玻片、石英玻璃片浸入丙酮中进行超声波清洗15min，然后对基体进行酒精超声波清洗15min，最后烘干；

(2)将预处理好的样品作为基体材料放入磁控溅射镀膜设备的真空室1中(图1)，样品置于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动，也可以自转，这样就避免了薄膜只能单面镀以及镀膜不均的问题，保证了镀膜过程的均匀性；

(3)靶材采用尺寸为435×95×10mm的平面Si靶作为Si元素的来源，如图1所示，平面Si靶以对靶的方式安置在炉体内壁上，并通过调整中频脉冲电源的功率控制上述平面Si靶的溅射率；采用高纯Ar气作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯H₂气作为反应气体，使其离化并与靶中的Si元素结合，在基体表面沉积形成氢化硅薄膜。

实施例1

将真空室的气压抽至6×10^-3Pa，加热普通玻璃片，使其温度为250℃；镀膜前，通入16sccm的Ar到炉内真空室1，当真空室气压达到6Pa并保持气压稳定于6Pa时，开偏压3至-1000V对真空室和基体进行轰击清洗，持续30min；这样可以保证薄膜与基材结合得更好。

基体清洗后，关闭Ar气，将真空室的气压再次抽至6×10^-3Pa，同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为60％，当真空室气压上升至0.5Pa，调整负偏压到-100V，打开Si靶的控制电源，将Si靶的电源功率调至2kW，沉积时间为120min，得到氢化硅薄膜。

实施例2

将真空室的气压抽至8×10^-4Pa，加热石英玻璃片，使其温度为240℃；镀膜前，通入24sccm的Ar到炉内真空室1，当真空室气压达到8Pa并保持气压稳定于8Pa时，开偏压3至-800V对真空室和基体进行轰击清洗，持续40min。

基体清洗后，关闭Ar气，将真空室的气压再次抽至8×10^-4Pa，同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为20％，当真空室气压上升至0.3Pa，调整负偏压到-100V，打开Si靶的控制电源，将Si靶的电源功率调至4kW，沉积时间为60min，得到氢化硅薄膜。

石英玻璃片上生长的薄膜通过后期真空退火来提高薄膜中的Si的晶化率，退火温度650℃，退火时间120min。

实施例3

将真空室的气压抽至5×10^-3Pa，加热单晶Si(100)片，使其温度为200℃；镀膜前，通入18sccm的Ar到炉内真空室1，当真空室气压达到4Pa并保持气压稳定于4Pa时，开偏压3至-900V对真空室和基体进行轰击清洗，持续20min。

基体清洗后，关闭Ar气，将真空室的气压再次抽至5×10^-3Pa，同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为40％，当真空室气压上升至0.4Pa，调整负偏压到-100V，打开Si靶的控制电源，将Si靶的电源功率调至3kW，沉积时间为90min，得到氢化硅薄膜。

单晶硅片上生长的薄膜通过后期真空退火来提高薄膜中的Si的晶化率，退火温度950℃，退火时间60min。

图2为实施例1所获得的氢化硅薄膜表面形貌图。从图中可以看出，薄膜在基材上结合较好，不易脱落，薄膜表面较为平整，但是呈现出一定的团簇结构，说明薄膜中硅原子按照一定的方式聚集。采用本发明制备的氢化硅薄膜能够紧密的结合在基体上，并具有表面平整，不易脱落的特性，是一种较优质的太阳能电池材料。

图3为实施例2所获得的氢化硅薄膜截面形貌图，图中上方部分为基体，标注距离部分为制备的氢化硅薄膜，从截面图中可以清楚的看到薄膜紧紧的附着在基材表面，薄膜的厚度大约在426nm左右，采用本发明能够以较快的速率沉积硅薄膜，提高生产效率。

图4为实施例3所获得的氢化硅薄膜高分辨透射电镜图，从图中可以清楚的看到，在氢化硅薄膜的非晶结构中出现了明显的纳米晶粒，其晶粒尺寸在3nm左右，通过测算，薄膜的晶态率大约为45％。很明显，采用本发明可以制备出具有纳米晶/非晶复合结构的氢化硅薄膜，且其微观结构可以通过工艺参数的改变进行调节，从而达到对薄膜光电性能的优化。

Claims

1.一种磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，其特征在于，包括下列步骤：

4)真空室通入Ar气并开负偏压对真空室和基体进行轰击清洗；

5)关闭Ar气，将真空室的气压再次抽至10^-4～10^-3Pa，接着同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为10％～80％，当真空室气压上升至0.3～0.5Pa时，调整负偏压到-100V，打开Si靶的控制电源，将Si靶的电源功率调至2～4kW，沉积时间为60～120min，得到氢化硅薄膜。

2.如权利要求1所述的磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，其特征在于，所述基体包括单晶Si片、石英玻璃片或普通玻璃片。

3.如权利要求2所述的磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，其特征在于，所述步骤5)结束后，将沉积有氢化硅薄膜的单晶硅片在真空炉内550～950℃退火，退火时间为60～120min。

4.如权利要求1所述的磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，其特征在于，所述步骤4)中，通入Ar气的流量为16～24sccm，当真空室气压达到4～8Pa，保持该气压，开负偏压至-800V～-1000V，对真空室和基体进行轰击清洗，持续20～40min。

5.如权利要求1所述的磁控溅射制备氢化硅薄膜的方法，其特征在于，所述步骤5)中，同时通入Ar气和H₂气，使H₂气的体积百分比为20％～60％。