CN103602958A

CN103602958A - 一种激光辅助制备薄膜的方法和设备

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Publication number: CN103602958A
Application number: CN201310611764.XA
Authority: CN
Inventors: 李学耕; 王东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明公开了一种激光辅助制备薄膜的方法及相应设备，属于薄膜材料制备领域。该方法将含有制备薄膜所需元素的气态先驱物通入等离子体发生装置，经等离子体发生装置活化后进入反应腔；激光发生装置发出的激光束，经反应腔壁上的透镜汇聚后也进入到反应腔；在反应腔内激光加热活性气体先驱物，使之裂解，得到原子态的沉积元素，沉积到腔室上方的基底上，在基底上生长成膜。本发明大大降低了薄膜生产成本，且设备简单，工艺稳定性好，制备的薄膜纯度高、稳定性好、形貌粒径均匀，产品质量可靠性高，同时可以得到较高的薄膜沉积速率。

Description

一种激光辅助制备薄膜的方法和设备

技术领域

本发明涉及薄膜制备领域，具体涉及一种激光辅助制备薄膜的方法和设备。

背景技术

近年来，薄膜材料在很多领域都得到广泛应用。薄膜的广泛应用，对薄膜的生产提出了较高要求。在实际生产中，既需要制备性能优良的薄膜，又希望成本低廉。薄膜的制备有真空和非真空两种。真空镀膜有溅射法、蒸发法、化学气相沉积、离子镀膜等多种形式，共同的特点是薄膜纯度高、方向性好、均匀性好，但缺点是镀膜成本高，大面积应用投入过大；非真空镀膜有涂覆法、水浴法等，制备成本相对较低，但薄膜附着力差、稳定性差、容易团聚。

因此，必须研究一种简单可控的方法，得到纯度高、稳定性好，且生产成本低、产率较高的薄膜。

发明内容

针对现有技术中薄膜的制备成本高、纯度较低、稳定性差等问题，本发明提供一种激光辅助制备薄膜的方法，该方法操作简单，成本低，且制备的膜层纯度较高、稳定性好、形貌粒径均匀，可以广泛应用于各种半导体或太阳能电池薄膜的制备。本发明进一步提供一种用于激光辅助制备薄膜的设备，该设备可以大大降低薄膜的制备成本。

一种激光辅助制备薄膜的方法，将气态先驱物通入等离子体发生装置，经等离子体发生装置活化后进入反应腔；激光发生装置发出的激光束，经反应腔壁上的透镜汇聚后也进入到反应腔；在反应腔内激光加热活性气态先驱物，使之裂解，得到原子态的沉积元素，沉积到腔室上方的基底上，在基底上生长成膜。

其中，所述的气态先驱物为包含薄膜沉积元素的有机化合物，该有机化合物沸点较低，激光加热可以裂解。一般来说，能用于CVD、MOCVD等的有机化合物，都可以作为本方法的前驱物。

其中，所述反应腔壁上的透镜为一平直狭长透镜窗口，将激光束汇聚成具有一定宽度的激光带，照射到腔室内部的反应区域，在反应区域内产生较高的温度，起到加热分解前驱物的目的。

其中，所述反应腔内激光加热活性气态先驱物的温度通过调节激光功率来控制。

此外，在通入气态先驱物的同时，还通入保护气体和敏化气体。保护气体优选为H₂(超钝级别)，还可以是He、Ar或N₂等，或它们的混合气；保护气体将反应气体和敏化气体局限在反应腔的中心位置附近，防止其在反应器的其它部分角落积累；且能提高粒子成核的温度，防止粒子团聚。敏化气体优选为SF₆或SiF₄等，对于特定的激光功率可以极大地提高产生的温度。

本发明中，基底可以是刚性基底，也可以是柔性基底。

本发明中，成膜厚度和质量通过衬底移动速度、激光加热功率、前驱气体流量等来控制。

一种激光辅助制备薄膜的设备，包括：反应腔、激光发生和接收装置、等离子体发生装置、气体通入装置、基底；

其中，所述的反应腔为十字结构，所述的激光发生装置发出的激光水平穿过反应腔，并由另一端的接收装置接收；所述的等离子体发生装置位于反应腔的下端；所述的基底位于反应腔的上端，与所述等离子体发生装置相对；所述气体通入装置与等离子体发生装置相连。

所述激光发生装置与反应腔连接部有透镜窗口，所述透镜窗口镶嵌狭长平直透镜；可选地，所述等离子体发生装置例如但不限于ICP、CCP等。

可选地，所述等离子体发生装置数量和排布方式可以根据需要设置和排列，以满足活化多种前驱物气体的需要。

可选地，所述基底例如但不限于玻璃、不锈钢、聚酰亚胺等。

作为优选，所述基底上方设有加热装置。

作为优选，所述反应腔室内部设有冷却装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于制备过程中真空度要求较低，大大降低了生产成本，且设备简单，工艺稳定性好，制备的薄膜纯度较高、稳定性好、形貌粒径均匀，产品质量可靠性高，同时可以得到较高的薄膜沉积速率。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的薄膜沉积设备示意图。

图2a、图2b为本发明透镜窗口汇聚激光的光路示意图。

图3为本发明第二实施例中的薄膜沉积设备示意图。

图4a、图4b为本发明第三实施例中的薄膜沉积设备示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。

实施例1

以沉积微晶硅为例，来说明本发明的薄膜制备方法。微晶硅薄膜的制备以硅的有机前驱物为原料，如硅烷，例如但不限于：SiH₄、Si₂H₆、Si₃H₈等；氯硅烷，例如SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiCl₄、Si₂Cl₆等。

将硅的有机前驱气体通过气体通入装置进入到等离子体发生器中，由等离子体发生器活化后进入到反应腔，在反应腔中，由激光束发出的激光加热，有机硅发生裂解，得到硅原子，硅原子沉积到反应腔上方的基底上，在衬底上生长成膜。此外，通入保护气体H₂和敏化气体SF₆。H₂将反应气体和敏化气体局限在反应腔的中心位置附近，防止其在反应器的其它部分角落积累，同时提高粒子成核的温度，防止颗粒团聚；敏化气体SF₆可以提高激光温度。

附图1为本发明微晶硅薄膜制备设备的示意图。十字结构的反应腔100左侧为激光发生装置102，右侧为激光接收装置(图中未标出)，激光发生器102发出的激光通过透镜窗口103汇聚入射到腔室，在腔室中心的反应区域104进行反应；反应腔100的下方为等离子体发生装置105，反应腔室和等离子体发生装置都带有若干气态通入装置106；在腔室中心区域104反应后产生的硅原子沉积到反应腔上方的基底107上，基底上方有加热装置208，硅在基底107上生长成膜。图中还省略了腔室的冷却装置。

透镜窗口镶嵌有平直透镜，如图2(a)(b)所示。图2(a)为透镜汇聚激光光路的前视图，激光器发射出的激光束102经透镜103汇聚后，在腔室内形成高度很小的光束101；图2(b)为透镜汇聚激光光路的俯视图，激光器发射出的激光束102经透镜103汇聚后，在腔室内形成的光束101宽度不变。结合前视图2(a)和俯视图2(b)可以看出透镜103的形状，透镜103在垂直方向为传统透镜形状，在水平方向为直镜。经透镜汇聚后的光路为一条狭长的激光带。

本实施例中，有机前驱物原料硅烷由气体通入口106进入等离子体发生器105的石英导管内，在导管内被Ar等离子体撞击活化，形成各向异性、带同种电荷的粒子，进入反应腔100；同时保护气体H₂、敏化气体SF₆分别经由旁边的气体通入口106进入反应腔。激光器选择为CO₂激光器，功率选择为60W。激光束经过窗口透镜103汇聚到中心反应区104，在中心反应区104处产生极高的温度。此温度可将前驱物硅烷分解，产生硅原子，硅原子沉积到反应腔上方的衬底107上，生长形成微晶硅薄膜。

实施例2

以制备铜铟镓硒薄膜为例，来进一步说明本发明。

铜铟镓硒薄膜为多种元素组成的化合物膜层，前驱物气体有有机铜、有机铟、有机镓及硒蒸气等。例如，含铜的有机前驱物包括但不限于：Cu(C₁₁H₁₉O₂)₂、Cu(CF₃COCHCOCF₃)₂、(C₅H₅)CuP(C₂H₅)₃、Cu(CF₃COCHCOCH₃)₂、Cu(CF₃COCHCOCF₃)P(CH₃)₃等；含铟的有机前驱物包括但不限于：三苯基铟(C₁₈H₁₅In)、三苯基吡啶铟(C₂₃H₂₀InN)、对甲苯基铟(C₂₁H₂₁ln)等；含镓的有机前驱物包括但不限于：二甲基氟化镓(C₂H₆FGa)、三甲基镓(C₃H₉Ga)、三乙基镓(C₆H₁₅Ga)、三丙基镓(C₉H₂₁Ga)、三异丙基镓(C₉H₂₁Ga)等。

将铜、铟、镓的有机前驱气体及硒蒸气通过气体通入装置分别进入到等离子体发生器中，由等离子体发生器活化后进入到反应腔，在反应腔中，由激光束发出的激光加热，有机前驱气体发生裂解，产生原子态的铜、铟、镓，与活化后的硒原子相互作用，形成铜铟镓硒化合物。铜铟镓硒化合物沉积到反应腔上方的基底上，在基底上生长成为铜铟镓硒薄膜。

附图3为铜铟镓硒薄膜制备设备的示意图。十字结构的反应腔200左侧为激光发生装置202，右侧为激光接收装置(图中未标出)，激光发生器202发出的激光通过透镜窗口203汇聚入射到腔室，在腔室中心的反应区域204进行反应；反应腔200的下方为等离子体发生装置205，由于有多种前驱气体，等离子体发生装置205也有若干个；反应腔室和等离子体发生装置都带有若干气体通入装置206；在腔室中心区域204反应后产生的金属或非金属原子相互作用，形成铜铟镓硒化合物，沉积到反应腔上方的基底207上，基底上方有加热装置208，化合物在基底207上生长成膜。本实施例中透镜窗口的形状及光路与图2相同。图中还省略了腔室的冷却装置。

本实施例中，有机铜、有机铟、有机镓前驱物原料和硒蒸气分别由气体通入口206进入等离子体发生器205内，活化后形成各向异性、带同种电荷的粒子，进入反应腔200；同时保护气体H₂、敏化气体SF₆分别经由旁边的气体通入口206进入反应腔。CO₂激光器功率选择为80W，激光束经过窗口透镜203汇聚到中心反应区204，在中心反应区204处产生极高的温度。此温度可将铜、铟、镓的有机前驱物分解，产生原子态的铜、铟、镓、硒，相互作用形成铜铟镓硒化合物，沉积到反应腔上方的基底207上，在基底207上生长形成铜铟镓硒薄膜。

实施例3

与实施例2相同，但基底采用柔性不锈钢。设备运行方式如图4a、图4b所示。

图4a、4b分别是在柔性卷对卷基底上沉积薄膜的设备示意图，图4a为正视图，图4b为左视图，图中省略了腔体结构和衬底加热装置。从等离子体发生装置303喷射出来的活化有机前驱气体，在激光器302产生的激光加热作用下发生裂解，得到的铜、铟、镓、硒原子相互作用形成铜铟镓硒化合物，沉积在柔性衬底301上。柔性衬底301由放卷装置306放卷，沉积好薄膜的部分304从收卷装置307收卷。激光加热前驱物气体发生反应、颗粒在衬底上沉积的区域集中在腔室中心反应区305。其中薄膜电池幅前进方向与激光束的照射方向是垂直关系。

以上所述仅为本发明的若干个实施例，并不用以限制本发明，对熟悉本领域的技术人员，可以根据需要对本发明的方法或设备做多种变化、替换和修饰。凡在本发明的精神范围和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，皆属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims

1.一种激光辅助制备薄膜的方法，其特征在于，将气态先驱物通入等离子体发生装置，经等离子体发生装置活化后进入反应腔；激光发生装置发出的激光束，经反应腔壁上的透镜汇聚后也进入到反应腔；在反应腔内激光加热活性气态先驱物，使之裂解，得到原子态的沉积元素，沉积到腔室上方的基底上，在基底上生长成膜。

2.如权利要求1所述的激光辅助制备薄膜的方法，其特征在于，所述气态先驱物为包含薄膜沉积元素的有机化合物，该有机化合物沸点较低，激光加热可以裂解。

3.如权利要求2所述的激光辅助制备薄膜的方法，其特征在于，所述反应腔壁上的透镜为一透镜窗口，将激光束汇聚成具有一定宽度的激光带。

4.如权利要求2所述的激光辅助制备薄膜的方法，其特征在于，所述反应腔内激光加热活性气态先驱物的温度通过调节激光功率来控制。

5.如权利要求2所述的激光辅助制备薄膜的方法，其特征在于，还向反应腔中通入保护气体和敏化气体。

6.如权利要求2所述的激光辅助制备薄膜的方法，其特征在于，所述基底为刚性基底或柔性基底。

7.一种激光辅助制备薄膜的设备，其特征在于，包括：反应腔、激光发生和接收装置、等离子体发生装置、气体通入装置、基底；

其中，所述的反应腔为十字结构；所述的激光发生装置发出的激光水平穿过反应腔，并由另一端的接收装置接收；所述的等离子体发生装置位于反应腔的下端；所述的基底位于反应腔的上端，与所述等离子体发生装置相对；所述气体通入装置与等离子体发生装置相连。

8.如权利要求7所述的激光辅助制备薄膜的设备，其特征在于，所述激光发生装置与反应腔连接部有透镜窗口，所述透镜窗口镶嵌狭长平直透镜。

9.如权利要求7所述的激光辅助制备薄膜的设备，其特征在于，所述基底上方设有加热装置。

10.如权利要求7所述的激光辅助制备薄膜的设备，其特征在于，所述反应腔内部设有冷却装置。