RU2536775C2 - Method of producing amorphous silicon films containing nanocrystalline inclusions - Google Patents
Method of producing amorphous silicon films containing nanocrystalline inclusions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2536775C2 RU2536775C2 RU2012148196/28A RU2012148196A RU2536775C2 RU 2536775 C2 RU2536775 C2 RU 2536775C2 RU 2012148196/28 A RU2012148196/28 A RU 2012148196/28A RU 2012148196 A RU2012148196 A RU 2012148196A RU 2536775 C2 RU2536775 C2 RU 2536775C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- amorphous
- film
- films
- plasma
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и может быть использовано для создания активного слоя тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного кремния.The invention relates to the field of optoelectronic technology and can be used to create an active layer of thin-film solar cells based on amorphous hydrogenated silicon.
Возникшие в последние десятилетия социальные и экологические проблемы, связанные с использованием традиционных источников энергии, привели к бурному развитию технологий в наиболее развитых странах, направленных на использование альтернативных источников энергии. Ведущее место среди них занимают работы, направленные на использование солнечной энергии, в частности работы по созданию солнечных фотопреобразователей. Широкое использование солнечных элементов сдерживается сравнительно высокой стоимостью преобразования солнечной энергии с их помощью.Emerging in recent decades, social and environmental problems associated with the use of traditional energy sources have led to the rapid development of technologies in the most developed countries aimed at the use of alternative energy sources. The leading place among them is occupied by work aimed at the use of solar energy, in particular, work on the creation of solar photoconverters. The widespread use of solar cells is constrained by the relatively high cost of converting solar energy with their help.
Перспективным направлением снижения стоимости вырабатываемой солнечными фотопреобразователями электроэнергии является разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и протокристаллического кремния. Цена производимой электроэнергии определяется, прежде всего, стоимостью материала, из которого изготовлен солнечный элемент, и затратами технологического процесса производства солнечного элемента. Основным материалом для изготовления тонкопленочных солнечных элементов в настоящее время является аморфный гидрированный кремний (a-Si:H), поскольку его производство наиболее отлажено.A promising way to reduce the cost of electricity generated by solar photoconverters is to develop a technology for thin-film solar cells based on amorphous hydrogenated and protocrystalline silicon. The price of electricity produced is determined, first of all, by the cost of the material from which the solar cell is made, and the costs of the technological process for the production of the solar cell. The main material for the manufacture of thin-film solar cells is currently amorphous hydrogenated silicon (a-Si: H), since its production is most debugged.
Кроме того, тонкопленочная технология имеет ряд специфических применений, невозможных или затрудненных при использовании кристаллических полупроводников (гибкие модули, полупрозрачные модули и т.д.). Одним из достоинств тонкопленочной технологии является получение слоев аморфного гидрогенизированного кремния при низкой температуре. Это дает возможность создавать полупроводниковые структуры на гибких подложках. Солнечные элементы на гибкой основе имеют малый вес, монтируются на любой поверхности и могут использоваться для изготовления сумок, чехлов, встраиваться в одежду и т.д. Полупрозрачные модули различного цвета находят применение, например, для украшения зданий. Наконец, существенным достоинством тонкопленочной технологии является возможность создания приборных структур на очень больших площадях.In addition, thin-film technology has a number of specific applications that are impossible or difficult when using crystalline semiconductors (flexible modules, translucent modules, etc.). One of the advantages of thin-film technology is the production of amorphous hydrogenated silicon layers at low temperature. This makes it possible to create semiconductor structures on flexible substrates. Flexible solar cells are lightweight, mounted on any surface and can be used to make bags, covers, fit into clothes, etc. Translucent modules of various colors are used, for example, for decorating buildings. Finally, an essential advantage of thin-film technology is the ability to create instrument structures in very large areas.
Однако наравне с целым рядом преимуществ, которыми обладают фотопреобразователи на основе a-Si:H, имеются и недостатки, препятствующие более широкому и интенсивному использованию этого материала. К наиболее существенному из таких недостатков следует отнести изменение электрических и фотоэлектрических параметров a-Si:H под действием освещения (эффект Стеблера-Вронского).However, along with a number of advantages that a-Si: H based photoconverters have, there are also disadvantages that impede the wider and more intensive use of this material. The most significant of these disadvantages is the change in the electrical and photoelectric parameters of a-Si: H under the influence of illumination (the Stebler-Wronsky effect).
Одним из путей преодоления указанного недостатка является использование наномодифицированного аморфного кремния, представляющего собой двухфазную систему, состоящую из матрицы аморфного гидрогенизированного кремния с включениями кремниевых нанокристаллов.One way to overcome this drawback is to use nanomodified amorphous silicon, which is a two-phase system consisting of a matrix of amorphous hydrogenated silicon with inclusions of silicon nanocrystals.
Из уровня техники известно несколько способов получения наномодифицированного аморфного кремния с большой долей кристаллической фазы (более 50%) - так называемого, микрокристаллического кремния (µc-Si:H). К этим методам относятся: метод плазмохимического осаждения из газовой фазы смеси моносилана и водорода с большой концентрацией последнего (PECVD) (Zhou J.H., Ikuta К., Yasuda Т., Umeda Т., Yamasaki S., Tanaka К. //J Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.857; Summonte С., Rizolli R., Desalvo A., Zignani F., Centurioni E., Pinghini R., Bruno G., Losurdo M., Capezzuto P., Genmii M. // Phil. Mag. B. 2000. V.80. No. 4, P.459; Fujiwara H., Toyoshima Y., Kondo M., Matsuda A. //J. Non-Cryst. Solids. 2000. V.266-269. P.38; Hapke P., Finger F. //J Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.861), метод послойного роста (layer-by-layer) (Vetteri О., Hapke P., Houben L., Luysberg M., Wagner H. //1 Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.866; Hong IP., Kirn C.O., Nahm T.U., Kim C.M. // t Appl. Phys. 2000. V. 87. No. 4. P.1676), метод термического разложения смеси моносилана и водорода (hot-wire CVD) (Alpuim P., Chu V., Conde IP. //1 Non-Cryst. Solids. 2000. V. 266-269. P. 110; Niikura С., Guillet 1, Brenot R., Equer В., Bouree J.E., Voz C., Peiro D., Asensi 1M., Bertomeu 1, Andreu J. // J. Non-Cryst. Solids. 2000. V.266-269. P.385), метод химического осаждения из плазмы, возбуждаемой в условиях циклотронного резонанса (ECRCVD) (Beckers I., Nickel N.H., Piiz W., Fuhs W. // J. Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.847), метод лазерной или термической кристаллизации аморфного кремния (Wohllebe A., Carius R., Houben L., Klatt A., Hapke P., Klomfa J., Wagner H. //J Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.925; Szekeres A., Gartner M., Vasiliu F., Marinov M., Beshkov G. // J. Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.954), метод твердофазной кристаллизации (SPC) (Kleider IP., Longeaud C., Bruggemann R., Houze F. // Thin Solid Films. 2001. V.383. P.57).Several methods are known from the prior art for producing nanomodified amorphous silicon with a large fraction of the crystalline phase (more than 50%) - the so-called microcrystalline silicon (µc-Si: H). These methods include: the method of plasma chemical vapor deposition of a mixture of monosilane and hydrogen with a high concentration of the latter (PECVD) (Zhou JH, Ikuta K., Yasuda T., Umeda T., Yamasaki S., Tanaka K. // J Non- Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.857; Summonte C., Rizolli R., Desalvo A., Zignani F., Centurioni E., Pinghini R., Bruno G., Losurdo M., Capezzuto P ., Genmii M. // Phil. Mag. B. 2000. V.80. No. 4, P.459; Fujiwara H., Toyoshima Y., Kondo M., Matsuda A. // J. Non-Cryst. Solids. 2000. V.266-269. P.38; Hapke P., Finger F. // J Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.861), layer-by-layer growth method -layer) (Vetteri O., Hapke P., Houben L., Luysberg M., Wagner H. // 1 Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.866; Hong IP., Kirn CO , Nahm TU, Kim CM // t Appl. Phys. 2000. V. 87. No. 4. P.1676), thermal method decomposition of a mixture of monosilane and hydrogen (hot-wire CVD) (Alpuim P., Chu V., Conde IP. // 1 Non-Cryst. Solids. 2000. V. 266-269. P. 110; Niikura C., Guillet 1 , Brenot R., Equer B., Bouree JE, Voz C., Peiro D., Asensi 1M., Bertomeu 1, Andreu J. // J. Non-Cryst. Solids. 2000. V.266-269. P.385), a method of chemical deposition from plasma excited by cyclotron resonance (ECRCVD) (Beckers I., Nickel NH, Piiz W., Fuhs W. // J. Non-Cryst. Solids. 1998. V.227- 230. P.847), a method of laser or thermal crystallization of amorphous silicon (Wohllebe A., Carius R., Houben L., Klatt A., Hapke P., Klomfa J., Wagner H. // J Non-Cryst. Solids 1998. V.227-230. P.925; Szekeres A., Gartner M., Vasiliu F., Marinov M., Beshkov G. // J. Non-Cryst. Solids. 1998. V.227-230. P.954), solid state crystallization method (SPC) (Kleider IP., Longeaud C., Bruggemann R., Houze F. // Thin Solid Films. 2001. V.383. P.57).
Наиболее широко среди вышеперечисленных технологий используется метод PECVD. Это связано в основном со сравнительной простотой получения пленок µc-Si:H указанным методом, его дешевизной и большим распространением, которое данный метод получил применительно к a-Si:H. К неоспоримым достоинствам получения микрокристаллического кремния методом PECVD также надо отнести и возможность низкотемпературного осаждения пленок. Температура подложки (Та) в процессе роста пленки этим методом составляет 200-300°С и ниже (Roca P., Cabarrocas I. // J. Non-Cryst. Solids. 2000. V. 266-269. P. 31). Это позволяет формировать структуры из µc-Si:H на гибких носителях.The most widely used technology among the above is the PECVD method. This is mainly due to the comparative simplicity of obtaining μc-Si: H films by the indicated method, its cheapness and wide distribution, which this method received with respect to a-Si: H. The indisputable advantages of obtaining microcrystalline silicon by the PECVD method also include the possibility of low-temperature film deposition. The temperature of the substrate (Ta) during the film growth by this method is 200-300 ° C and lower (Roca P., Cabarrocas I. // J. Non-Cryst. Solids. 2000. V. 266-269. P. 31). This allows the formation of structures from µc-Si: H on flexible supports.
Из уровня техники известно решение по патенту ЕР 2206156 «Microcrystalline silicon deposition for thin film solar applications», в котором предложен способ получения тонкопленочных многослойных солнечных элементов на основе микрокристаллического кремния. Оригинальность метода состоит в том, что подложка помещается в зону проведения реакции, куда подводятся газы: силан и водород. В плазменном разряде происходит реакция разложения газов, в результате чего на подложку осаждается первый слой микрокристаллического кремния. Второй слой микрокристаллического кремния выращивается при большей по сравнению с первым слоем скорости. Третий слой формируется при скоростях осаждения, меньших, чем для второго слоя, но больших чем для первого.The prior art knows the solution according to patent EP 2206156 "Microcrystalline silicon deposition for thin film solar applications", which proposes a method for producing thin-film multilayer solar cells based on microcrystalline silicon. The originality of the method lies in the fact that the substrate is placed in the reaction zone, where gases are supplied: silane and hydrogen. In a plasma discharge, a gas decomposition reaction occurs, as a result of which a first layer of microcrystalline silicon is deposited on a substrate. The second layer of microcrystalline silicon is grown at a higher speed compared to the first layer. The third layer is formed at deposition rates lower than for the second layer, but greater than for the first.
В патенте RU 2227343 «Тонкие пленки гидрогенезированного поликристаллического кремния и технология их получения» описан метод получения пленок поликристаллического кремния (по сути, данные пленки представляют собой микрокристаллический кремний, см. пояснение ниже) с ориентацией (111) при низкой температуре подложки. Сущность метода заключается в том, что во время вакуумно-плазменного осаждения кремния на подложку увеличивается скорость натекания в реактор молекулярного водорода при снижении температуры подложки. Полученная таким методом пленка гидрогенизированного поликристаллического кремния содержит более 50% кристаллической фазы со средним размером кристаллов не более 10 нм, что позволяет назвать данный материал микрокристаллическим кремнием.Patent RU 2227343 “Thin films of hydrogenated polycrystalline silicon and the technology for their preparation” describes a method for producing polycrystalline silicon films (in fact, these films are microcrystalline silicon, see the explanation below) with the (111) orientation at a low substrate temperature. The essence of the method lies in the fact that during vacuum-plasma deposition of silicon on a substrate, the rate of leakage of molecular hydrogen into the reactor increases with decreasing temperature of the substrate. The hydrogenated polycrystalline silicon film obtained by this method contains more than 50% of the crystalline phase with an average crystal size of not more than 10 nm, which allows us to call this material microcrystalline silicon.
В патенте ЕР 2009140 «Method for microcrystalline silicon film formation» разработан способ получения пленок микрокристаллического кремния при низких потоках водорода в реакционной камере методом плазмохимического осаждения. Использование меньшего потока водорода снижает стоимость тонкопленочного солнечного элемента. Метод заключается в том, что в вакуумной камере устанавливается набор антенн, соединенных одним концом с источником ВЧ-излучения. Другой конец антенн заземлен. Подложка, располагающаяся напротив набора антенн, может быть нагрета от 150 до 250°С. Плазменный разряд создается путем напуска смеси газов водорода и силана в реакционную камеру и подачи ВЧ-напряжения на антенны. При изменении отношения потоков газов R=[Н2]/[SiH4] от 1 до 10 на подложку осаждается аморфный кремний, содержащий кремниевые нанокристаллы с объемной долей более 80% (т.е. микрокристаллический кремний).In patent EP 2009 140 “Method for microcrystalline silicon film formation” a method for producing microcrystalline silicon films at low hydrogen fluxes in a reaction chamber by plasma-chemical deposition was developed. Using a smaller hydrogen stream reduces the cost of a thin-film solar cell. The method consists in installing a set of antennas in a vacuum chamber connected at one end to a source of RF radiation. The other end of the antennas is grounded. The substrate located opposite the set of antennas can be heated from 150 to 250 ° C. A plasma discharge is created by injecting a mixture of hydrogen and silane gases into the reaction chamber and applying RF voltage to the antennas. When the ratio of gas flows R = [Н 2 ] / [SiH 4 ] changes from 1 to 10, amorphous silicon containing silicon nanocrystals with a volume fraction of more than 80% (i.e. microcrystalline silicon) is deposited on the substrate.
Однако все перечисленные выше методы позволяют получать пленки наномодифицированного аморфного кремния с большой объемной долей кристаллической фазы. Несмотря на то, что такие пленки в отличие от a-Si:H не обладают эффектом Стеблера-Вронского, их использование в тонкопленочной солнечной энергетике затруднено. Это связано с тем, что µc-Si:H обладает худшими фотоэлектрическими параметрами по сравнению с a-Si:H.However, all of the above methods allow one to obtain films of nanomodified amorphous silicon with a large volume fraction of the crystalline phase. Despite the fact that such films, unlike a-Si: H, do not have the Stebler-Wronsky effect, their use in thin-film solar energy is difficult. This is due to the fact that µc-Si: H has poorer photoelectric parameters compared to a-Si: H.
Отсутствием недостатков, присущих как аморфному (деградация свойств под действием освещения - эффект Стеблера-Вронского), так и микрокристаллическому кремнию (низкая фоточувствительность в видимой области), обладает аморфный кремний с малой долей кремниевых нанокристаллов (с объемной долей кристаллической фазы не более 15%).Amorphous silicon with a small fraction of silicon nanocrystals (with a volume fraction of the crystalline phase of no more than 15%) has the absence of drawbacks inherent in both amorphous (degradation of properties under the influence of lighting - the Stebler-Wronsky effect) and microcrystalline silicon (low photosensitivity in the visible region) .
Из уровня техники известно получение наномодифицированного аморфного кремния с малой долей кристаллической фазы. Так в работе (Koch С., Ito M., Schubert M.B., Wemer 1H. // Mater. Res. Soc. Symp.Proc. 1999. V.557. P.749) исследовались свойства пленок гидрогенизированного кремния, осажденного на дешевые пластиковые подложки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы при температурах, меньших 100°С (Ts=40-75°С). Условия осаждения были выбраны таким образом, чтобы формировалась пленка с переходной структурой (от аморфной к нанокристаллической), т.е. с небольшой долей нанокристаллов. О получении пленок подобного рода сообщается также в работах (Tsu D.V., Chao B.S., Ovshinsky S.R.,.tones SJ., Yang 1, Guha S., Tsu R. // Phys. Rev. B. 2001. V.63. P.125338; Muthamann S., Kohler F., Carius R., Gordijn A. // Phys. Status. Solidi A. 2010. V.207. P. 544; Murayama К., Monji К., Deki H. // Phys. Status. Solidi C. 2010. V.7. P.674; Shcherbyna Ye. S., Torchynska T.V. // Thin Solid Films. 2010. V.518. P.204). Однако получаемые всеми указанными в приведенной литературе способами пленки аморфного кремния являются неоднородными по толщине. По мере увеличения толщины пленки происходит переход структуры от аморфной к микрокристаллической. Неоднородное распределение нанокристаллов по толщине пленки приводит к снижению фоточувствительности (по сравнению с аморфным гидрогенизированным кремнием) и нестабильности при солнечном воздействии таких параметров пленки, как коэффициент поглощения и фотопроводимость.The prior art it is known to obtain nanomodified amorphous silicon with a small fraction of the crystalline phase. So in the work (Koch S., Ito M., Schubert MB, Wemer 1H. // Mater. Res. Soc. Symp.Proc. 1999. V.557. P.749) the properties of hydrogenated silicon films deposited on cheap plastic substrates by plasma chemical vapor deposition at temperatures lower than 100 ° C (Ts = 40-75 ° C). The deposition conditions were chosen so that a film with a transition structure (from amorphous to nanocrystalline) was formed, i.e. with a small fraction of nanocrystals. Obtaining films of this kind is also reported in (Tsu DV, Chao BS, Ovshinsky SR, .tones SJ.,
Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения аморфного кремния с малой долей нанокристаллов, описанный в статьях (Shcherbyna Ye. S., Torchynska T.V. // Thin Solid Films. 2010. V.518. P.204; Han D., Yue G., Lorentzen ID., Lin t, Habuchi H., Wang Qi. // 1 Appl. Phys. 2000. V.87. P.1882; Schubert M.B., Merz R. // Philosophical Magazine. 2009. V. 89. P. 2623). В этих работах аморфный кремний с малой долей нанокристаллов получался методом плазмохимического осаждения смеси газов моносилана (SiKt) и водорода (Hz) на стеклянную подложку "Corning 7059". Объемное отношение газов [SiH4]/[H2] при этом было равно 3, а давление в реакционной камере составляло 30 мТорр.Closest to the claimed solution is a method for producing amorphous silicon with a small fraction of nanocrystals described in the articles (Shcherbyna Ye. S., Torchynska TV // Thin Solid Films. 2010. V.518. P.204; Han D., Yue G. , Lorentzen ID., Lint, Habuchi H., Wang Qi. // 1 Appl. Phys. 2000. V.87. P.1882; Schubert MB, Merz R. // Philosophical Magazine. 2009. V. 89. P . 2623). In these studies, amorphous silicon with a small fraction of nanocrystals was obtained by plasma-chemical deposition of a mixture of monosilane (SiKt) and hydrogen (Hz) gases on a Corning 7059 glass substrate. The volumetric gas ratio [SiH 4 ] / [H 2 ] was equal to 3, and the pressure in the reaction chamber was 30 mTorr.
Однако пленки, получаемые таким способом, также являются неоднородными по толщине, а именно доля кристаллической фазы увеличивается от подложки в сторону роста пленки.However, the films obtained in this way are also non-uniform in thickness, namely, the fraction of the crystalline phase increases from the substrate in the direction of film growth.
Задачей изобретения является создание тонких пленок наномодифицированного аморфного кремния с малой долей кристаллической фазы, в которых кремниевые нанокристаллы распределены равномерно по толщине пленки.The objective of the invention is the creation of thin films of nanomodified amorphous silicon with a small fraction of the crystalline phase, in which silicon nanocrystals are distributed uniformly throughout the film thickness.
Технический результат, обеспечивающий решение этой задачи, заключается в формировании кремниевых нанокристаллов непосредственно в плазме тлеющего разряда, что достигается использованием давления в реакционной камере на уровне не ниже 2000 мТорр. Именно формирование нанокристаллов до осаждения на подложку, а не в процессе роста пленки, и позволяет достигать их однородного распределения по толщине формируемой пленки, что отличает данный метод от других известных на сегодняшний день.The technical result that provides the solution to this problem is the formation of silicon nanocrystals directly in the plasma of a glow discharge, which is achieved by using the pressure in the reaction chamber at a level not lower than 2000 mTorr. It is the formation of nanocrystals before deposition on the substrate, and not in the process of film growth, that allows their uniform distribution over the thickness of the formed film to be achieved, which distinguishes this method from other methods known today.
Решение поставленной задачи обеспечивается посредством плазмохимического осаждения смеси газов водорода (H2) и тетрафторида кремния (SiF4) на твердотельную подложку при объемном отношении газов [H2]/[SiF4] от 4 до 10. В результате при частоте ВЧ-разряда 30÷80 МГц и плотности мощности 5÷110 мВт/см2 получают пленки аморфного гидрогенизированного кремния, содержащие включения нанокристаллов кремния с объемной долей, не превышающей 15%, и размером не более 10 нм. Давление в реакционной камере поддерживают на уровне не ниже 2000 мТорр, что приводит к формированию кремниевых нанокристаллов непосредственно в плазме тлеющего разряда с их последующим однородным распределением по толщине формируемой пленки.The solution to this problem is provided by plasma-chemical deposition of a mixture of hydrogen gases (H 2 ) and silicon tetrafluoride (SiF 4 ) on a solid-state substrate with a volumetric gas ratio [H 2 ] / [SiF4] of 4 to 10. As a result, the frequency of the RF discharge is 30 ÷ 80 MHz and a power density of 5 ÷ 110 mW / cm 2 receive films of amorphous hydrogenated silicon containing inclusions of silicon nanocrystals with a volume fraction of not more than 15% and a size of not more than 10 nm. The pressure in the reaction chamber is maintained at a level not lower than 2000 mTorr, which leads to the formation of silicon nanocrystals directly in the glow discharge plasma with their subsequent uniform distribution over the thickness of the formed film.
Кроме того, в предлагаемом способе получения вместо «традиционного» моносилана (SiH4) используют SiF4. Результатом введения фтора в кремниевую пленку является появление ряда благоприятных факторов, таких как высокая фотопроводимость, повышенная подвижность носителей заряда и увеличение длины диффузии носителей заряда.In addition, in the proposed production method, instead of “traditional” monosilane (SiH 4 ), SiF 4 is used . The introduction of fluorine into a silicon film results in the appearance of a number of favorable factors, such as high photoconductivity, increased mobility of charge carriers, and an increase in the length of diffusion of charge carriers.
Заявляемый способ заключается в разложении смеси тетрафторида кремния (SiF4) и водорода (H2) в плазме ВЧ тлеющего разряда с частотой f=30÷80 МГц на кварцевую подложку. Температура подложки в процессе осаждения пленки должна лежать в интервале 170÷250°С. Плотность мощности разряда в реакционной камере при этом равна 5÷110 мВт/см2, а давление газов составляет 2000÷4000 мТорр. Объемное отношение газов в реакционной камере RH=[H2]/[SiF4] можно варьировать в диапазоне от 4 до 10. С увеличением RH доля кристаллической фазы будет увеличиваться.The inventive method consists in the decomposition of a mixture of silicon tetrafluoride (SiF 4 ) and hydrogen (H 2 ) in the plasma of an RF glow discharge with a frequency f = 30 ÷ 80 MHz on a quartz substrate. The temperature of the substrate during the deposition of the film should lie in the range of 170 ÷ 250 ° C. The density of the discharge power in the reaction chamber is equal to 5 ÷ 110 mW / cm 2 and the gas pressure is 2000 ÷ 4000 mTorr. The volumetric ratio of gases in the reaction chamber R H = [H 2 ] / [SiF 4 ] can be varied in the range from 4 to 10. With increasing R H, the fraction of the crystalline phase will increase.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блочная технологическая схема получения пленок наномодифицированного аморфного кремния, на фиг.2 схематично изображена внутренняя часть реакционной камеры.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a block flow chart for producing films of nanomodified amorphous silicon, Fig. 2 schematically shows the inside of the reaction chamber.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - блок смешивания и подачи газов; 2 -вакуумный агрегат; 3 - шкаф управления; 4 - ВЧ-генератор с двухканальным согласующим устройством; 5 - модуль безмасляной откачки; 6 - ВЧ-электрод; 7 - опорный вал вращения с электроприводом; 8 - барабан-подпожкодержатель; 9 - подложки; 10 - ИК-нагреватель.The positions in the drawings indicate: 1 - unit for mixing and supplying gases; 2-vacuum unit; 3 - control cabinet; 4 - RF generator with a two-channel matching device; 5 - oil-free pumping module; 6 - high-frequency electrode; 7 - supporting rotation shaft with electric drive; 8 - drum podpozhkoderzhatel; 9 - substrate; 10 - IR heater.
Ниже представлен пример осуществления изобретения.The following is an example embodiment of the invention.
Способ может быть реализован в однокамерной установке (например, в установке плазмохимического газофазного осаждения KAI-1200 фирмы «Oerlikon Solar", Швейцария), позволяющей проводить плазмохимическое осаждение из газовой фазы на нагретые твердотельные подложки.The method can be implemented in a single-chamber installation (for example, in a KAI-1200 plasma-chemical gas-phase deposition apparatus of Oerlikon Solar, Switzerland), which allows plasma-chemical deposition from the gas phase on heated solid-state substrates.
Конструктивно технологический комплекс включает в себя блок смешивания и подачи газов 1, вакуумный агрегат 2, шкаф управления 3 и ВЧ-генератор с двухканальным согласующим устройством 4 (фиг.1).Structurally, the technological complex includes a gas mixing and
Схематичное изображение внутренней части реакционной камеры приведено на фиг.2. Установка снабжена модулем безмасляной откачки 5, позволяющим достигать в реакционной камере вакуума 10-5 Па. Для генерации тлеющего разряда в установке используется ВЧ-электрод 6, работающий на частоте 60 МГц.A schematic representation of the inside of the reaction chamber is shown in FIG. Installation provided with free pumping module 5, allowing to reach the reaction chamber vacuum of 10 -5 Pa. To generate a glow discharge in the installation, an RF electrode 6 operating at a frequency of 60 MHz is used.
Приведенная на фиг.2 реакционная камера позволяет осуществлять осаждение сразу на несколько подложек. В центре камеры расположен опорный вал вращения с электроприводом 7, на который устанавливается съемный барабан-подложкодержатель 8. Барабан-подложкодержатель выполнен в виде шестигранника, на боковых гранях которого располагают подложки 9, суммарная площадь которых может достигать 1400 см2. Подложкодержатель электрически изолирован от камеры. Система ИК-нагрева 10 расположена с внутренней стороны подложкодержателя и позволяет задавать его температуру в диапазоне от 100 до 350°С.The reaction chamber shown in FIG. 2 allows deposition onto several substrates at once. In the center of the chamber there is a support shaft of rotation with an electric drive 7, on which a removable drum-substrate holder 8. A drum-substrate holder is made in the form of a hexagon, on the lateral faces of which are placed substrates 9, the total area of which can reach 1400 cm 2 . The backing pad is electrically isolated from the camera. The IR heating system 10 is located on the inside of the substrate holder and allows you to set its temperature in the range from 100 to 350 ° C.
Параметры осаждения пленок приведены в таблице 1.The deposition parameters of the films are shown in table 1.
S1F4:10%
Ar:20%H 2 : 70%
S1F 4 : 10%
Ar: 20%
Вакуумная система на основе турбомолекулярного и форвакуумного насосов обеспечивает в камере предельное остаточное давление 2·10-4 Па. Контроль предельного вакуума и давления технологических газов осуществляется с помощью тепловых и ионизационных преобразователей. Дросселирование потока откачиваемых газов выполняется с помощью специальной магистрали с диафрагмой. Это обеспечивает малые расходы газовой смеси (0,5-1 л/ч) и устраняет необходимость установки скруббера на выходе форвакуумного насоса.The vacuum system based on turbomolecular and forevacuum pumps provides a maximum residual pressure of 2 · 10 -4 Pa in the chamber. The ultimate vacuum and process gas pressure are monitored using thermal and ionization converters. The throttling of the pumped gas flow is carried out using a special line with a diaphragm. This ensures low consumption of the gas mixture (0.5-1 l / h) and eliminates the need to install a scrubber at the outlet of the fore-vacuum pump.
Исследования структурных свойств полученных образцов показали, что при использовании данного метода разложения с приведенными параметрами получают пленки аморфного гидрогенизированного кремния, содержащего нанокристаллы кремния со средним размером 4 нм. Объемная доля кристаллической фазы в полученных пленках составляет 6%. Отклонение от равномерного распределения нанокристаллов по аморфной матрице не превышает 10%. Полученный материал характеризуется стабильными оптическими и фотоэлектрическими параметрами и высокой фоточувствительностью. При использовании заявляемого материала в качестве активного слоя тонкопленочных солнечных преобразователей повышается их КПД и увеличивается срок службы.Studies of the structural properties of the obtained samples showed that using this decomposition method with the given parameters, films of amorphous hydrogenated silicon containing silicon nanocrystals with an average size of 4 nm are obtained. The volume fraction of the crystalline phase in the obtained films is 6%. The deviation from the uniform distribution of nanocrystals over the amorphous matrix does not exceed 10%. The resulting material is characterized by stable optical and photoelectric parameters and high photosensitivity. When using the inventive material as the active layer of thin-film solar converters increases their efficiency and increases the service life.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012148196/28A RU2536775C2 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Method of producing amorphous silicon films containing nanocrystalline inclusions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012148196/28A RU2536775C2 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Method of producing amorphous silicon films containing nanocrystalline inclusions |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012148196A RU2012148196A (en) | 2014-05-20 |
| RU2536775C2 true RU2536775C2 (en) | 2014-12-27 |
Family
ID=50695522
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012148196/28A RU2536775C2 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Method of producing amorphous silicon films containing nanocrystalline inclusions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2536775C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2061281C1 (en) * | 1993-02-04 | 1996-05-27 | Московский институт электронной техники | Method for producting thin films of amorphous hydrogenated silicon |
| US7655542B2 (en) * | 2006-06-23 | 2010-02-02 | Applied Materials, Inc. | Methods and apparatus for depositing a microcrystalline silicon film for photovoltaic device |
| US7696091B2 (en) * | 2006-02-17 | 2010-04-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of forming a silicon layer and method of manufacturing a display substrate by using the same |
-
2012
- 2012-11-14 RU RU2012148196/28A patent/RU2536775C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2061281C1 (en) * | 1993-02-04 | 1996-05-27 | Московский институт электронной техники | Method for producting thin films of amorphous hydrogenated silicon |
| US7696091B2 (en) * | 2006-02-17 | 2010-04-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of forming a silicon layer and method of manufacturing a display substrate by using the same |
| US7655542B2 (en) * | 2006-06-23 | 2010-02-02 | Applied Materials, Inc. | Methods and apparatus for depositing a microcrystalline silicon film for photovoltaic device |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| RU 127516 U1 ("Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина), Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, ООО "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе") 27.04.2013 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012148196A (en) | 2014-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6755151B2 (en) | Hot-filament chemical vapor deposition chamber and process with multiple gas inlets | |
| US20070243338A1 (en) | Plasma deposition apparatus and method for making solar cells | |
| JP2545306B2 (en) | Method for producing ZnO transparent conductive film | |
| KR20090031492A (en) | Methods and apparatus for depositing a microcrystalline silicon film for photovoltaic device | |
| CN102396079A (en) | Pulsed plasma deposition for forming microcrystalline silicon layer for solar applications | |
| CN102534570B (en) | Method for preparing microcrystalline silicon film by plasma-enhanced chemical vapor deposition | |
| ES2311792T3 (en) | PROCEDURE FOR SILICON DEPOSITION. | |
| CN113785408A (en) | Preparation method of perovskite solar cell absorption layer based on chemical vapor deposition method | |
| CN101660131B (en) | Method for preparing hydrogenated silicon film by utilizing magnetron sputtering | |
| CN101609796A (en) | The manufacture method of film formation method and thin-film solar cells | |
| EP2517267A2 (en) | Thin-film silicon tandem solar cell and method for manufacturing the same | |
| RU2536775C2 (en) | Method of producing amorphous silicon films containing nanocrystalline inclusions | |
| US6470823B2 (en) | Apparatus and method for forming a deposited film by a means of plasma CVD | |
| CN101775591A (en) | Method for depositing film | |
| JP2006216624A (en) | Solar cell and its production process | |
| KR100997110B1 (en) | Process for Preparation of Thin Layered Structure | |
| JP4510242B2 (en) | Thin film formation method | |
| JP2003158078A (en) | Method for forming silicon semiconductor | |
| JPH04342121A (en) | Manufacture of hydrogenated amorphous silicon thin film | |
| KR101177057B1 (en) | High speed deposition method of amorphous and crystalline sige thin film by reactive atmospheric pressure chemical vapor deposition | |
| CN117587372A (en) | Manufacturing device and manufacturing method of helium silicon hydride film | |
| JP2575397B2 (en) | Method for manufacturing photoelectric conversion element | |
| De et al. | Low-hydrogen-content, stable amorphous silicon thin films prepared by ion-assisted method | |
| CN117178074A (en) | Method and apparatus for reducing deposition and metastable defects in amorphous silicon | |
| Matsumoto et al. | Development of Localized Plasma Confinement (LPC) CVD method for high rate and uniform deposition of thin-film crystalline Si |