RU2354006C1

RU2354006C1 - METHOD FOR PRODUCTION OF THIN FILM OF COPPER AND INDIUM DISELENIDE CuInSe2

Info

Publication number: RU2354006C1
Application number: RU2007139207/28A
Authority: RU
Inventors: Билал Аругович Билалов (RU); Билал Аругович Билалов; Тимур Мажлумович Гаджиев (RU); Тимур Мажлумович Гаджиев; Гаджимет Керимович Сафаралиев (RU); Гаджимет Керимович Сафаралиев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Аккорд"
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-04-27

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: in method for production of thin films of copper and indium diselenide, film is produced in two-zone furnace by means of selenium vapors transfer by gas-carrier flow from one temperature zone into another on surface of previously prepared copper-indium powder target. The target itself is produced by melting of metal components of stoichiometric composition in solid phase in equal weight ratios with further crushing of alloy in powder, its pressing and sputtering of Cu-In of stoichiometric composition onto substrate, for instance, by means of vacuum magnetron sputtering. ^ EFFECT: production of well-shaped and tightly packed CuInSe2 films; possibility to control chemical composition of films on large areas and in large volumes, which is important in production conditions; reduction in semiconductors cost, increased coefficient of components usage. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям получения полупроводников и предназначено, в частности, для производства фотопреобразователейThe invention relates to technologies for producing semiconductors and is intended, in particular, for the production of photoconverters

на основе CuInSe₂.based on CuInSe ₂ .

Известен способ получения тонких пленок CuInSe₂ термическим испарением в вакууме (S.P.Grindle, A.H.Clark, S.Rezaie-Serej, E.Falconer, J.Appl. Phys., 51 (1980) 10.) который является наиболее простым по своему техническому исполнению, но характеризуется наименьшим числом физических параметров, подконтрольных в процессе нанесения тонких пленок. Пленки осаждаются из одного или двух источников на стекло или корундовую подложку. После нанесения пленки подвергаются отжигу в атмосфере аргона.A known method of producing thin films of CuInSe _{2 by} thermal evaporation in vacuum (SPGrindle, AHClark, S. Rezaie-Serej, E. Falconer, J. Appl. Phys., 51 (1980) 10.) which is the most simple in its technical execution, but characterized by the smallest number of physical parameters controlled in the process of applying thin films. Films are deposited from one or two sources onto a glass or corundum substrate. After deposition, the films are annealed in an argon atmosphere.

Аналогичным способом получают также тонкие пленки тонкие пленки CuInSe₂ (Japanese Journal of Applied Physcs Vol.30, №3, March, 1991, pp.442-446) методом селенизации. Под термином «селенизация» подразумевается насыщение селеном медно-индиевых сплавов из твердой и газообразной фазы.Thin films are also prepared in a similar manner by thin films of CuInSe ₂ (Japanese Journal of Applied Physcs Vol.30, No. 3, March, 1991, pp.442-446) by selenization. The term "selenization" means the saturation of selenium with copper-indium alloys from the solid and gaseous phases.

При этом на подложку поочередно напыляют каждый из компонентов соединения. Потом многослойная структура из элементарных слоев Cu/In/Se в закрытом боксе в потоке аргона подвергается отжигу, формируя поликристаллические слои CuInSe₂.In this case, each of the components of the compound is alternately sprayed onto the substrate. Then, a multilayer structure of elementary Cu / In / Se layers in an enclosed box in an argon stream is annealed, forming polycrystalline CuInSe ₂ layers.

Недостатком метода селенизации из твердой фазы селена является отсутствие точного контроля химического состава пленки CuInSe₂ ввиду реиспарения селена и селенидов меди-индия во время отжига. Пленка селена имеет неоднородное распределение по поверхности отношения Cu/In и большие изменения концентрации Se по глубине, пленка не соответствует стехиометрическому составу. С увеличением температуры наблюдается частичная деградация пленки.The disadvantage of the selenization method from the solid phase of selenium is the lack of precise control of the chemical composition of the CuInSe ₂ film due to the reevaporation of selenium and copper-indium selenides during annealing. The selenium film has an inhomogeneous distribution of the Cu / In ratio over the surface and large changes in the Se concentration in depth; the film does not correspond to the stoichiometric composition. With increasing temperature, partial degradation of the film is observed.

Предлагаемое изобретение направлено на получение хорошо сформированных и плотноупакованных пленок CuInSe₂; возможность управления химическим составом пленок на больших площадях и в больших объемах, что немаловажно в производственных условиях и ведет к удешевлению себестоимости полупроводников; увеличение коэффициента использования компонентов.The present invention is directed to well-formed and close-packed CuInSe ₂ films; the ability to control the chemical composition of films over large areas and in large volumes, which is important in a production environment and leads to a reduction in the cost of semiconductors; increased utilization of components.

Для решения поставленной задачи применен особый способ, при котором отпадает необходимость в отжиге многослойной структуры. Способ заключается в том, тонкую пленку CuInSe₂ получают в двухзонной печи путем переноса паров селена потоком газа-носителя из одной температурной зоны в другую на поверхность предварительно подготовленной медно-индиевой порошковой мишени. Сама мишень получена сплавливанием металлических компонент стехиометрического состава в твердой фазе в равных весовых соотношениях с последующим раздроблением сплава в порошок (фракции 0,1 мм), его прессованием и распылением Cu-In стехиометрического состава на подложку, например, вакуумным магнетронным распылением. Если в качестве подложки использовать гибкую пленку, которую в ходе процесса можно перематывать специальным механизмом, то можно получать пленки CuInSe₂ на больших площадях.To solve this problem, a special method has been applied in which there is no need to anneal the multilayer structure. The method consists in producing a thin CuInSe ₂ film in a dual-zone furnace by transferring selenium vapor by a carrier gas stream from one temperature zone to another onto the surface of a previously prepared copper-indium powder target. The target itself was obtained by fusing metal components of stoichiometric composition in the solid phase in equal weight ratios, followed by crushing the alloy into powder (0.1 mm fractions), pressing it and spraying Cu-In stoichiometric composition onto a substrate, for example, by vacuum magnetron sputtering. If a flexible film is used as a substrate, which can be rewound by a special mechanism during the process, then CuInSe ₂ films can be obtained over large areas.

Полученные таким образом тонкие пленки стехиометрического состава могут быть использованы в качестве базового слоя при производстве солнечных батарей. Благоприятные оптические свойства этого материала (ширина запрещенной зоны и высокий коэффициент поглощения) и высокий КПД позволяют произвести замену в производстве солнечных батарей толстых пластин объемного кремния на тонкие пленки толщиной в несколько микрон, что способствует уменьшению себестоимости солнечных элементов ввиду сокращения потребления материалов. Особо выгодно применение тонкопленочных солнечных батарей, например, на электромобилях, на которых они являются основным источником электроэнергии.The stoichiometric thin films thus obtained can be used as a base layer in the manufacture of solar cells. The favorable optical properties of this material (band gap and high absorption coefficient) and high efficiency make it possible to replace thick bulk silicon wafers with thin microns several microns thick in solar cell production, which helps to reduce the cost of solar cells due to reduced material consumption. Particularly advantageous is the use of thin-film solar cells, for example, on electric vehicles, on which they are the main source of electricity.

Реализацию способа получения тонкой пленки диселенида меди и индия CuInSe₂ можно разъяснить на примере конкретного устройства, работа которого основана на этом принципе, один из вариантов которого приведен на чертеже.The implementation of the method for producing a thin film of copper and indium disinide CuInSe ₂ can be explained by the example of a specific device, the operation of which is based on this principle, one of the variants of which is shown in the drawing.

В полости кварцевого реактора 1 в кювете 2 помещен источник реакционной компоненты-селен и под углом к ней предварительно подготовленная порошковая мишень 3, соединенные кварцевым штоком 4. Торцы кварцевого реактора снабжены вакуумно-плотными фланцами 5 и 6 со штуцером 7 для подачи газа-носителя и клапаном 8 для выхода газа (давление газа превышает атмосферное давление). Кварцевый реактор размещен внутри двухзонной печи с нагревателями 9 и 10, создающими две температурные зоны (для разогрева селена и мишени). Нагреватели снабжены контрольно-измерительной аппаратурой, способствующей поддержанию заданного температурного режима.In the cavity of the quartz reactor 1 in the cuvette 2, the source of the reaction component selenium is placed and at an angle to it a pre-prepared powder target 3 connected by a quartz rod 4. The ends of the quartz reactor are equipped with vacuum-tight flanges 5 and 6 with a fitting 7 for supplying carrier gas and valve 8 for gas outlet (gas pressure exceeds atmospheric pressure). A quartz reactor is placed inside a two-zone furnace with heaters 9 and 10 that create two temperature zones (for heating selenium and target). Heaters are equipped with instrumentation to help maintain a given temperature.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

Снимают фланец 6 и внутрь кварцевого реактора 1 помещают кварцевый шток 4 с кюветой для селена 2 и порошковой мишенью 3. После этого фланец 6 закрывают, включают нагреватели 9 и 10. Подают газ-носитель. Под воздействием температуры селен испаряется, и вокруг кюветы образуются пары, которые потоком газа-носителя (например, азота), переносятся на поверхность разогретой порошковой мишени и диффундируют в нее. Поток газа-носителя поступает в кварцевый реактор через штуцер 6 и сбрасывается в атмосферу через клапан 7. После получения тонкой пленки готовая продукция извлекается из кварцевого реактора.The flange 6 is removed and a quartz rod 4 with a selenium cell 2 and a powder target 3 is placed inside the quartz reactor 1. After that, the flange 6 is closed, the heaters 9 and 10 are turned on. The carrier gas is supplied. Under the influence of temperature, selenium evaporates, and vapors are formed around the cell, which are transferred to the surface of the heated powder target and diffuse into the carrier gas stream (for example, nitrogen). The carrier gas stream enters the quartz reactor through the nozzle 6 and is discharged into the atmosphere through the valve 7. After receiving a thin film, the finished product is removed from the quartz reactor.

Claims

A method of producing a thin film of copper and indium disinide CuInSe ₂ , including thermal evaporation of the components and the deposition of their vapor on a substrate, characterized in that the thin film is obtained in a two-zone furnace by transferring selenium vapor by a carrier gas stream from one temperature zone to another onto a previously prepared surface a copper-indium powder target formed by fusing components in the solid phase in equal weight ratios, followed by crushing the alloy into powder, pressing and spraying it onto vapors a burn.