CN102817004A - 一种中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法及其专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅薄膜材料的制备领域，具体的说是一种中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法及其专用装置。利用中频磁控溅射法，采用中频电源激发等离子体来溅射与外加电磁线圈形成耦合磁场的非平衡态孪生磁控硅靶，在基体上沉积纳米硅薄，采用真空泵组，将真空室内真空抽至10^-3-10^-4Pa，并对基体加热使基体温度在400-540℃之间，沉积纳米硅时采用Ar气溅射，由电离规管测量气压值，整个沉积过程中气压控制在0.2-1.5Pa，外加电磁线圈电流0-6A，沉积时间为30-90min，即得纳米硅薄膜。本发明采用外加电磁线圈连续调整孪生靶的非平衡度，实现了低功耗下纳米硅薄膜高速率的离子辅助沉积，薄膜晶体结构大范围可控、光学带隙可调。

Description

一种中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法及其专用装置

技术领域

本发明涉及硅薄膜材料的制备领域，具体的说是一种中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法及其专用装置。

背景技术

太阳能电池技术快速发展的今天，针对减少硅材料消耗、降低太阳能电池成本的问题，以硅薄膜为关键材料的薄膜太阳能电池显示出其独特魅力。硅薄膜太阳能电池用感光材料(硅薄膜)厚度通常仅有几微米，可大量节省高纯硅材料。另外，其制造工艺简单、耗能少、可大面积连续生产，并可采用玻璃或不锈钢等低成本材料作为衬底，同时还具有弱光响应较好的特点，特别适合应用于沙漠光伏电站和光伏建筑一体化。目前，已产业化的硅薄膜电池主要有非晶硅和非晶/微晶硅薄膜电池。非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其缺陷态密度高，光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。尽管实验室非晶硅薄膜电池最高转化效率已达到13％，但市售非晶硅薄膜光伏组件的稳定转化效率偏低，仅为6-8％左右。非晶硅薄膜电池结构中引入微晶硅层，形成非晶/微晶硅叠层薄膜电池，一定程度上提高了非晶硅薄膜电池的转化效率和稳定性。2010年10月日本京瓷公司公布的1cm²的非晶/微晶硅叠层薄膜电池转化效率高达13.8％。但通常上述叠层电池所采用的微晶硅晶化率低，大面积均匀性难以保证，使得其产业化产品转化效率难以突破10％，且其良品率也仅有60％左右。

现处于实验阶段的硅薄膜电池主要为多晶硅和纳米硅薄膜电池。多晶硅薄膜材料兼具单晶硅材料的载流子高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备的优点。目前实验室取得的最高效率达18％，日本钟渊(Kaneka)公司中试产品的转换效率为12％，还有较大的提升空间，但现有技术制备多晶硅薄膜通常在较高的温度下(＞600℃)完成，难以进行大规模量产。纳米硅薄膜因在光电器件(比如薄膜太阳电池)方面有前景的应用而备受关注。与非晶硅薄膜相比，纳米硅薄膜表现出强的载流子迁移率，针对于光致衰减有高的稳定性，且利于太阳光谱的红外区域内光的吸收。2011年1月美国国家再生能源实验室宣布United Solar公司的引入纳米硅层的三节叠层薄膜电池转化效率为12％，纳米硅层的引入使得原有电池的效率提高近50％。显然，发展纳米硅薄膜太阳能电池对于提高硅基薄膜太阳能电池的转化效率意义重大。然而，由于纳米硅属于间接光学带隙半导体，纳米硅薄膜太阳电池需要2-3μm厚的本征层来吸收足够量的太阳光。因此，高速率制备高质量、低缺陷密度的纳米硅薄膜是推动纳米硅薄膜电池商业化进程的关键之一。

纳米硅薄膜的制备方法主要有化学气相沉积法(CVD)和磁控溅射法(PVD)。与CVD法相比，磁控溅射法具有可以仅采用Ar工作、H的掺入量易于调节、不存在环境污染和安全问题以及对设备要求低等特点。溅射沉积制备纳米硅薄膜，大部分的研究集中在采用脉冲直流或射频磁控溅射法。然而，低的沉积速率、非理想的工艺稳定性以及差的薄膜均匀性等问题均存在于上述两种方法当中。另外，价格昂贵以及阻抗匹配问题也限制射频溅射技术在商业化纳米硅薄膜制备中的应用。始于上个世纪九十年代末的中频磁控溅射被广泛认为是一种非常经济有效地大面积快速制备半导体薄膜的手段。通常中频磁控溅射系统至少包含一对悬浮安装的靶，两个靶尺寸和外形全部相同。一方面，半导体薄膜沉积过程中，两靶交替作为溅射阴极与阳极，当靶上所加的电压处于负半周时，靶面被正离子轰击溅射，而在正半周时，等离子体中的电子被加速到靶面，中和了靶面上积累的正电荷，始终保持两靶面的新鲜，从而抑制了打火。这样两靶放电时，时间和空间上的稳定性得到保证，从而使得中频溅射具备优异的工艺重复性和薄膜均匀度。另一方面，两靶互为溅射阴阳极交替时，两靶间辉光等离子体中带电粒子来回振荡，增强其与气态中性粒子的碰撞，从而提高整个放电区域的等离子体密度。等离子体密度的增加使得单位时间内作用于靶面和基片表面的离子轰击强度增强，靶面溅射速率提高，利于基片上薄膜快速、致密、高质量地生长。中频溅射系统中，用于溅射的两个磁控靶布局有孪生靶和对靶两种形态。通常孪生靶布局为两靶平行并排(TwinMag I)或相互之间成一定角度相对(TwinMag II)。U.Heister等人研究表明TwinMag II布局具有高的沉积速率和靶材利用率以及长的靶材寿命。因此，采用TwinMag II的形式排布的孪生靶布局更能满足工业生产中，高效快速制备薄膜的要求。

另外，磁控溅射系统中，磁控靶磁场的设计会极大影响靶自身的溅射能力和靶前放电空间内等离子体密度和分布。通常磁控靶磁场设计分为平衡态和非平衡态两种，平衡态磁控靶内外磁体磁通量大致相等，磁力线在磁控靶面闭合，能有效地将等离子体(主要是电子)约束于靶面附近，增加碰撞几率，提高离化效率，因而在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电，同时减少了靶面高能二次电子的逃逸，到达基片的离子电流密度小，通常约在10^-1mA/cm²量级，基片所受离子轰击小，有利于实现低温沉积；与之相比，非平衡态磁控靶表面的磁力线不闭合，磁力线可沿靶的边缘扩展到基片区域，从而部分电子以及离子可以沿着磁力线扩展到基片，增强了基片区域的电离率和等离子体密度，基片处饱和离子电流密度大，通常可以达到1-10mA/cm²量级。这样，改变磁控孪生靶的非平衡度，就可增强或者减弱基片处的等离子体密度及离子轰击强度。此外优化的靶磁场设计也可以提高靶材利用率，改善等离子体在空间上的不均匀分布，控制大面积沉积薄膜的厚度和均匀性。综上所述，采用靶磁场优化设计的中频孪生靶磁控溅射系统有望实现纳米硅薄膜的快速沉积。

关于采用中频磁控溅射制备硅薄膜，国内外鲜有报道，2010年China Science报道了于威等人采用中频对靶磁控溅射制备非晶氢化硅薄膜，同年马胜利等人采用对靶中频磁控溅射先制备非晶硅薄膜，然后利用真空退火处理在550-950℃条件下制备出晶化率最高为45％的纳米硅薄膜。尽管他们采用中频磁控溅射制备沉积硅薄膜，但其沉积态结构均为非晶，并没有直接在基底上制备出纳米硅薄膜，即使样品热处理后能得到纳米硅，但其晶化率也很低；另外，采用对靶磁控溅射时两靶共溅射对薄膜的高速率沉积贡献很小，没有充分发挥出中频磁控溅射技术沉积速率快的特点。磁控溅射沉积主要为原子沉积，沉积到基片的粒子能量均较小，而中频磁控溅射沉积硅薄膜时，由于沉积速率较快，基片表面吸附硅原子的迁移率会进一步受到随后到达基片硅粒子的限制，不利于无序硅网络的驰豫，硅晶粒的形核和生长困难，因此难以得到理想的纳米硅薄膜。显然，基于上述背景开发出一种利用中频孪生靶非平衡磁控溅射直接在衬底上快速制备纳米硅薄膜的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有不足，提供一种中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法及其专用装置。

为实现上述目的，本发明采用技术方案：

一种中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法：利用中频磁控溅射法，采用中频电源激发等离子体来溅射与外加电磁线圈形成耦合磁场的非平衡态孪生磁控硅靶，在基体上沉积纳米硅薄，采用真空泵，将真空室内真空抽至10^-3-10^-4Pa，并对基体加热使基体温度在400-540℃，沉积纳米硅时采用Ar气溅射，气体流量为20-150sccm，由电离规管测量气压值，整个沉积过程中气压控制在0.2-1.5Pa，外加电磁线圈电流0-6A，沉积时间为30-90min，即得纳米硅薄膜。

所述非平衡态孪生磁控硅靶设置在真空室上部，呈现向下溅射布局，孪生靶布局为两靶相互之间夹角为156°。

所述非平衡态孪生磁控硅靶与设在基片加热台下串联的电磁线圈形成耦合磁场，利于等离子体的增强和约束。所述非平衡态孪生磁控硅靶内外层永磁铁为极性互异或极性相同。

所述在沉积膜之前将基材预处理，处理后放置在基片加热台上将真空室内气压抽至10^-3-10^-4Pa，加热使基体在160-350℃左右，同时通入Ar气；而后将真空室内气压再抽至10^-3-10^-4Pa并再次加热基体至400-540℃，通入Ar气，待真空室气压上升至1Pa，开启驱动孪生靶的中频电源，使孪生靶电压升至700-800V进行预溅射30-40min。所述基片加热台为嵌入氮化铝(AlN)的不锈钢盘。

中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法的溅射装置，包括真空室、抽气装置，所述溅射真空装置内设有非平衡态向下溅射的平面孪生硅靶，孪生硅靶下方设有基片加热台，基片加热台与孪生硅靶之间设有挡板，基片加热台下方设有一串联的电磁线圈组。

所述的非平衡态向下溅射的平面孪生硅靶两靶之间夹角为156°。所述电磁线圈组距离孪生硅靶为80-100mm。所述非平衡态孪生磁控硅靶与设在基片加热台下串联的电磁线圈形成耦合磁场，增强和约束等离子体，其中非平衡态孪生磁控硅靶内外层永磁铁为极性互异或极性相同。所述基片加热台面为嵌入氮化铝(AlN)的不锈钢盘。

本发明采用靶磁场设计以及外加磁场的方式，改变真空室及基片表面磁场位形，实现硅薄膜的离子辅助沉积，具体为：

1.采用TwinMag II的形式排布孪生靶，两靶设计为非平衡平面磁控靶，并以向下溅射的形式安装在真空室内，两靶之间的夹角为156°，保证尽可能大的薄膜均匀沉积区域如图1所示。

2.针对于真空室磁场位形，特别是基片附近磁场分布的调整，采用如下方案：

1)磁控靶封闭磁场设计

两磁控靶的内外层永磁铁极性互异即闭合场(closed B field)布局，对永磁体所产生的磁场强度实施优化设计，达到两非平衡靶封闭磁场磁力线的完美闭合，(见图2A和图2B)，有效阻止了电子逃逸，提高放电区域等离子体离化率，进而能提高靶的溅射速率和基片表面离子轰击强度，提高原子的表面迁移率，改善薄膜的组织结构。

2)磁控靶磁场设计与外加电磁线圈结合的耦合磁场设计

两磁控靶的内外层永磁铁极性相同即镜面场(mirror B field)布局，两靶永磁铁所产生的磁力线相互排斥，且关于两靶的镜面对称线严格对称。在距离靶约80-100mm的位置设置两个电磁线圈，两电磁线圈串联，产生静态磁场与来自于两磁控靶的磁场耦合(见图3A和图3B)，可显著增强基片表面的离子轰击强度。另外，采用两个电磁线圈，间距约60mm，而非一个，可以在保证基片表面磁场分布尽可能均匀的情况下，两电磁线圈共同构成半个“磁镜”，让基片处于一缓变磁场中，显著减少了沿耦合磁场逃逸的带电粒子数量，增强放电区域等离子体强度。

3.采用不锈钢镶嵌AlN片作为基体加热台面，硅薄膜沉积过程中，基片温度的不均匀会导致薄膜的结构和性能的不均匀，因此，保证基片均匀受热对于改善薄膜均匀性，提高其性能非常关键。通常的磁控溅射试验设备当中，加热台面均采用普通不锈钢制作，在600℃以下时，其导热系数在10-30W/(m·℃)之间，相对于导热优良的铝和铜(导热系数分别为237W/(m·℃)和401W/(m·℃))等金属来说，不锈钢导热性差，这样加热台面单位面积的热输入功率密度及散热条件的不一致，很容易造成加热台表面温度分布存在梯度，引起基片受热不均。若采用铜、铝等导热性好的金属替代不锈钢，能很好的解决基片受热不均的问题，但铝、铜等金属热膨胀系数大，受热后容易变形且较为活泼，易于氧化，不利于基片稳定受热。基于上述问题，本发明采用易于加工的不锈钢作为底衬，在不锈钢板上嵌入氮化铝(AlN)片作为基片均匀受热区域(见图4)。其中，AlN为一种优良的导热陶瓷材料，其导热性好(导热系数大于170W/(m·℃))，热膨胀系数小，具有良好的耐热冲击性能，能保证基片稳定均匀受热。

本发明采用的中频电源的频率是30-40KHz通过改变Ar气压强、基底温度及外加磁场大小来达到纳米硅薄膜微观结构(主要是晶化率、晶粒大小，表面粗糙度等)的调控，进而改变薄膜的光电性能。采用本发明方法直接沉积制备的纳米硅薄膜表面平均粗糙度RMS为2-10nm，非常平整，薄膜致密紧凑与基体结合好，其厚度约为400-1200nm。

采用本发明的硅薄膜沉积中，孪生靶磁场采用mirror B field设计/无外加磁场，在气压为0.2Pa时，硅薄膜最容易结晶生成纳米硅薄膜，0.6pa时取得最高的沉积速率；引入外磁场辅助后，在气压为1.0Pa，线圈电流为5.5-6A时，最容易制得高晶化率的纳米硅薄膜，同时沉积速率最高在气压为1.5Pa获得，约30nm/min；主要通过外加磁场强度大小变化，来调控纳米硅薄膜的微结构，薄膜中的晶粒尺寸可以从几纳米变化到几十纳米，而薄膜的晶化率变化范围为40％到80％，这使得薄膜的光学带隙在1.55eV-1.75eV范围内可调。

本发明所具有的优点：

1.本发明较传统利用中频磁控溅射先制备非晶硅薄膜加后续退火获得纳米硅薄膜两步法，开发出在普通玻璃基片上及镀铜玻璃基底上直接制备纳米硅薄膜的装置和方法。

2.本发明中优化磁场设计的非平衡态孪生磁控靶与外加电磁线圈构成整个溅射系统的核心；孪生靶与电磁线圈之间完美耦合磁场的构建使得放电室等离子体被牢牢约束在两靶与电磁线圈之间并得到增强，同时也改善了等离子体在基片附近的不均匀分布；基片浸没在空间均匀分布的聚焦等离子体中，实现离子辅助沉积。

3.本发明利用不锈钢易加工及氮化铝导热系数高、热稳定性好的特点，采用镶嵌AlN的不锈钢盘替代市售的单一不锈钢加热盘面，改善了基片受热不均的问题，温控精度也得到一定提升。

4.本发明采用外加电磁线圈连续调整孪生靶的非平衡度，实现了低功耗下纳米硅薄膜高速率的离子辅助沉积，薄膜晶体结构大范围可控、光学带隙可调。

5.本发明沉积过程中即采用闭合磁场的孪生靶非平衡磁控溅射实施硅薄膜的离子辅助沉积，同时采用镜面磁场的孪生靶非平衡磁控溅射实施硅薄膜的离子辅助沉积，另外还采用镜面磁场的孪生靶非平衡磁控溅射外加耦合磁场实施硅薄膜的离子辅助沉积。

附图说明

图1为本发明实施例提供的孪生靶磁控溅射系统示意图。其中1.溅射真空室；2.平面孪生硅靶；3.挡板；4.基片加热台；5.电磁线圈组；6.真空泵组。

图2A为本发明实施例提供的中频孪生磁控靶(采用closed Bfield形式)的永磁铁磁极布局示意图。

图2B为本发明的中频孪生磁控靶(采用closed B field形式)的永磁铁真空室磁场位形数值模拟图。

图3A为本发明的中频孪生磁控靶(采用mirror B field形式)的永磁铁磁极布局示意图。

图3B为本发明的中频孪生磁控靶(采用mirror B field形式)的永磁铁与外加磁场作用下的真空室磁场位形数值模拟图。

图4为本发明实施例提供的嵌入AlN的不锈钢加热盘示意图。

图5为本发明实施例提供的未引入外加磁场时，充Ar气时的中频孪生靶辉光放电实况观察图及真空室磁场位形数值模拟图。

图6为本发明实施例提供的外磁场辅助时(线圈电流为5.5A时)，充Ar气时的中频孪生靶辉光放电实况观察图。

图7为本发明实施例提供的纳米硅薄膜表面形貌、高分辨透射电镜及选区电子衍射及横截面形貌照片。

图8为本发明实施例提供的纳米硅薄膜XRD衍射花样。

图9为本发明实施例提供的纳米硅薄膜表面形貌。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详述。

本发明采用中频孪生靶磁控溅射技术制备纳米硅薄膜，包括在普通载玻片、镀铜的载玻片上制备纳米硅薄膜的方法：

(1)将普通载片浸入到丙酮中超声清洗约15min，然后浸入到体积比为1∶1∶5的H₂SO₄、H₂O₂和H₂O混合溶液中，沸煮15-20min，接着在去离子水和酒精中先后均超声清洗15min，最后烘干备用；

(2)将预处理好的部分基片置于一直流磁控溅射设备转筒上，旋转镀铜5-10min，铜薄膜的厚度约在200-500nm范围内，最后取出镀铜玻璃样片备用。

(3)采用靶材尺寸为270×70×6mm的平面高纯硅靶(＞99.9995％)作为硅元素的来源，平面硅靶以孪生靶的方式安放在真空室的内上壁，通过调整气压及外加电磁场大小来调控硅靶的溅射速率；采用高纯Ar作为放电气体来保证有效的辉光放电以及硅靶的溅射。

另外，嵌入氮化铝(AlN)的不锈钢加热盘面为：采用车削加工，在一圆形的不锈钢盘面上加工出一直径略大于80mm，深度为1.5mm的圆形槽，并对槽底进行抛光处理以达到一定光洁度，保证嵌入的圆形AlN片(直径为80mm，粗糙度Ra为0.3微米)与不锈钢底衬的紧密贴合，以期尽量减小两者之间的热阻，实现基片均匀受热。

如图1所示，本发明实施例提供的孪生靶磁控溅射系统示意图，中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的溅射装置，包括真空室、抽气装置，所述溅射真空装置1内设有非平衡态向下溅射的平面孪生硅靶2，孪生硅靶2下方设有基片加热台4，基片加热台4与孪生硅靶2之间设有挡板3，基片加热台4下方设有一串联的电磁线圈组5。非平衡态向下溅射的平面孪生硅靶2两靶之间夹角为156°。电磁线圈组5距离孪生硅靶2为80-100mm。非平衡态孪生磁控硅靶与设在基片加热台下串联的电磁线圈形成耦合磁场，增强和约束等离子体，其中非平衡态孪生磁控硅靶内外层永磁铁为极性互异或极性相同。基片加热台面为嵌入氮化铝(AlN)的不锈钢盘(参见图4)。

实施例1

预抽真空室，本底真空至1.5×10^-3Pa，加热玻璃基底，使其温度为160℃，同时通入Ar气，使真空室气压上升至1Pa，保温30min以便解吸附，除去基片表面物理吸附的杂质，利于薄膜与基底的结合，以及硅薄膜的形核；随后关闭Ar气，将真空室重新抽至1.5×10^-3Pa，且再次加热基底，使基底温度上升到500℃左右；通入Ar气，通气量约为100sccm，当真空室气压升至1Pa时，打开硅靶电源起辉，调电压至760V预溅射，溅射时间为30min，这样可以有效的消除把表面的本征氧化层。随后保持真空室气压不变，调整靶电源和电磁线圈直流电源，使单靶功率密度恒定在1W/cm²，线圈电流稳定在5.5A，整个沉积室放电过程稳定后，旋开靶和基片之间的挡板，沉积35min，最后关闭硅靶电源和线圈电源，通Ar气缓冷玻璃基底至40℃，释放热应力，得到膜基结合好的纳米硅薄膜(参见图7)。

图7中a、b分别为纳米硅薄膜表面形貌及透射电镜及选区电子衍射照片，图7c为获得的纳米硅薄膜截面形貌图。从图7a中可以观察到薄膜较为平整，带有明显边界的大量无规则形状的团簇分布在薄膜表面，每个团簇内包含许多小的纳米晶。通过透射电镜的显微结构观察(见图7b)证实，样品为平均尺寸小于10nm的大量硅纳米晶粒弥散分布在非晶硅相基体里的复合相结构，通过拉曼测试测算出其晶化率约为63％。截面形貌图中，上部分标注区域为薄膜，下部分为基体。从截面图中可以明显地观察到薄膜与基体结合紧密，薄膜的厚度大约为958nm，计算出沉积速率约为28nm/min。显然，采用本发明能在消耗较低靶功率(靶功率密度为1W/cm²)的基础上，快速地在玻璃基底上直接制备出较高晶化率的纳米硅薄膜。

实施例2

预抽真空室，本底真空至1.6×10^-3Pa，加热镀铜玻璃基底，使其温度为160℃，同时通入Ar气，使真空室气压上升至1Pa，保温30min以便解吸附，除去基片表面物理吸附的杂质，利于薄膜与基底的结合，以及硅薄膜的形核；随后关闭Ar气，将真空室重新抽至1.5×10^-3Pa，且再次加热基底，使基底温度上升到490℃左右；通入Ar气，通气量为100sccm，当真空室气压升至1Pa时，打开硅靶电源起辉，调电压至760V预溅射，溅射时间为30min，这样可以有效的消除把表面的本征氧化层。随后调整真空室气压至0.6Pa，调整靶电源和电磁线圈直流电源，使单靶功率密度恒定在1W/cm²，线圈电流稳定在5.5A，整个沉积室放电过程稳定后(参见图6)，旋开靶和基片之间的挡板，沉积30min，最后关闭硅靶电源和线圈电源，通Ar气缓冷玻璃基底至40℃，释放热应力，得到晶化率高的纳米硅薄膜(参见图8)。

由图6可知外磁场辅助时(线圈电流为5.5A时)，Ar气中中频孪生靶辉光放电实况观察图，Ar气压为0.6Pa。由于源于两非平衡靶的磁力线与外加线圈产生的磁力线能完美地耦合在一起，这使得放电室的辉光被紧紧地约束在两靶及加热台之间，另外，等离子体辉光强度较未采用电磁线圈辅助的情况(见图5)有显著的增强。

图8为纳米硅薄膜XRD衍射花样。从图中能够观察到明显的硅衍射峰，甚至在2θ＝76.4°的位置也出现较小的衍射峰，这表明该实施例能够制备出高晶化率的硅薄膜，通过拉曼测试估算出其晶化率接近80％。另外，各衍射峰与典型的晶体硅的衍射峰相比，出现一定的宽化，一定程度上反映出薄膜晶体结构为纳米晶；同时，各衍射峰的强度也存在差异，其中对应晶体硅(111)晶面的衍射峰强度最大，表明纳米硅薄膜沿<111>方向择优生长。

实施例3

预抽真空室，本底真空至1.5×10^-3Pa，加热玻璃基底，使其温度为160℃，同时通入Ar气，使真空室气压上升至1Pa，保温30min以便解吸附，除去基片表面物理吸附的杂质，利于薄膜与基底的结合，以及硅薄膜的形核；随后关闭Ar气，将真空室重新抽至1.5×10^-3Pa，且再次加热基底，使基底温度上升到540℃左右；通入Ar气，通气量为80s ccm，当真空室气压升至0.6Pa时，打开硅靶电源起辉，调电压至760V预溅射，溅射时间为30min，这样可以有效的消除把表面的本征氧化层。随后保持真空室气压不变，调整靶电源和电磁线圈直流电源，使单靶功率密度恒定在1W/cm²，线圈电流为0A(未引入外加磁场)，整个沉积室放电过程稳定后，旋开靶和基片之间的挡板，沉积35min，最后关闭硅靶电源，通Ar气缓冷玻璃基底至40℃，释放热应力，得到膜基结合好的纳米硅薄膜(参见图9)。

由图5可知未引入外加磁场时，中频孪生靶辉光放电实况观察图及真空室磁场位形数值模拟图，其中Ar气压为0.6Pa。由于孪生靶内永磁铁布局采用的是mirror B field形式，两非平衡靶的漏磁力线相互排斥(见图5中右图)，使得整个放电时室的辉光呈现至上向下的发散状，且等离子体辉光强度较弱。

图9为实施例3获得的纳米硅薄膜表面形貌。与图7a结果相近，薄膜较为平整，薄膜表面分布着大量带有明显边界的无规则形状的团簇，每个团簇内包含许多小的纳米晶。

Claims (11)

1.一种中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法，其特征在于：利用中频磁控溅射法，采用中频电源激发等离子体来溅射与外加电磁线圈形成耦合磁场的非平衡态孪生磁控硅靶，在基体上沉积纳米硅薄，采用真空泵，将真空室内真空抽至10^-3-10^-4Pa，并对基体加热使基体温度在400-540℃，沉积纳米硅时采用Ar气溅射，气体流量为20-150sccm，由电离规管测量气压值，整个沉积过程中气压控制在0.2-1.5Pa，外加电磁线圈电流0-6A，沉积时间为30-90min，即得纳米硅薄膜。

2.按权利要求1所述的中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法，其特征在于：所述非平衡态孪生磁控硅靶设置在真空室上部，呈现向下溅射布局，孪生靶布局为两靶相互之间夹角为156°。

3.按权利要求1所述的中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法，其特征在于：所述非平衡态孪生磁控硅靶与设在基片加热台下串联的电磁线圈形成耦合磁场，利于等离子体的约束和增强。

4.按权利要求3所述的中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法，其特征在于：所述非平衡态孪生磁控硅靶内外层永磁铁为极性互异或极性相同。

5.按权利要求1所述的中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法，其特征在于：所述在沉积膜之前将基材预处理，处理后放置在基片加热台上将真空室内气压抽至10^-3-10^-4Pa，加热使基体在160-350℃左右，同时通入Ar气；而后将真空室内气压再抽至10^-3-10^-4Pa并再次加热基体至400-540℃，通入Ar气，待真空室气压上升至1Pa，开启驱动孪生靶的中频电源，使孪生靶电压升至700-800V进行预溅射30-40min。

6.按权利要求1所述的中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法，其特征在于：所述基片加热台为嵌入氮化铝(AlN)的不锈钢盘。

7.一种权利要求1所述的中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法的溅射装置，包括真空室、抽气装置，其特征在于：所述溅射真空装置(1)内设有非平衡态向下溅射的平面孪生硅靶(2)，孪生硅靶(2)下方设有基片加热台(4)，基片加热台(4)与孪生硅靶(2)之间设有挡板(3)，基片加热台(4)下方设有一串联的电磁线圈组(5)。

8.按权利要求7所述中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法的溅射装置，其特征在于：所述的非平衡态向下溅射的平面孪生硅靶(2)两靶之间夹角为156°。

9.按权利要求7所述中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法的溅射装置，其特征在于：所述电磁线圈组(5)距离孪生硅靶(2)为80-100mm

10.按权利要求7所述中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法的溅射装置，其特征在于：所述非平衡态孪生磁控硅靶与设在基片加热台下串联的电磁线圈形成耦合磁场，增强和约束等离子体，其中非平衡态孪生磁控硅靶内外层永磁铁为极性互异或极性相同。

11.按权利要求7所述中频磁控溅射法制备纳米硅薄膜的方法的溅射装置，其特征在于：所述基片加热台面为嵌入氮化铝(AlN)的不锈钢盘。

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