專利名稱：一種中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及硅薄膜材料的制備領(lǐng)域，具體的說是一種中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置。
背景技術(shù)：
太陽能電池技術(shù)快速發(fā)展的今天，針對減少硅材料消耗、降低太陽能電池成本的問題，以硅薄膜為關(guān)鍵材料的薄膜太陽能電池顯示出其獨特魅力。硅薄膜太陽能電池用感光材料(硅薄膜)厚度通常僅有幾微米，可大量節(jié)省高純硅材料。另外，其制造工藝簡單、 耗能少、可大面積連續(xù)生產(chǎn)，并可采用玻璃或不銹鋼等低成本材料作為襯底，同時還具有弱光響應(yīng)較好的特點，特別適合應(yīng)用于沙漠光伏電站和光伏建筑一體化。目前，已產(chǎn)業(yè)化的硅薄膜電池主要有非晶硅和非晶/微晶硅薄膜電池。非晶硅是一種很好的太陽能電池材料， 但由于其光學(xué)帶隙為1. 7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其缺陷態(tài)密度高，光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。盡管實驗室非晶硅薄膜電池最高轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到13%，但市售非晶硅薄膜光伏組件的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化效率偏低，僅為6-8%左右。 非晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)中引入微晶硅層，形成非晶/微晶硅疊層薄膜電池，一定程度上提高了非晶硅薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。2010年10月日本京瓷公司公布的Icm2的非晶/ 微晶硅疊層薄膜電池轉(zhuǎn)化效率高達(dá)13. 8%。但通常上述疊層電池所采用的微晶硅晶化率低，大面積均勻性難以保證，使得其產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率難以突破10%，且其良品率也僅有 60%左右。現(xiàn)處于實驗階段的硅薄膜電池主要為多晶硅和納米硅薄膜電池。多晶硅薄膜材料兼具單晶硅材料的載流子高遷移率及非晶硅材料的可大面積、低成本制備的優(yōu)點。目前實驗室取得的最高效率達(dá)18%，日本鐘淵(Kaneka)公司中試產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率為12%，還有較大的提升空間，但現(xiàn)有技術(shù)制備多晶硅薄膜通常在較高的溫度下(> 600°C )完成，難以進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。納米硅薄膜因在光電器件(比如薄膜太陽電池)方面有前景的應(yīng)用而備受關(guān)注。與非晶硅薄膜相比，納米硅薄膜表現(xiàn)出強的載流子遷移率，針對于光致衰減有高的穩(wěn)定性，且利于太陽光譜的紅外區(qū)域內(nèi)光的吸收。2011年1月美國國家再生能源實驗室宣布 United Solar公司的引入納米硅層的三節(jié)疊層薄膜電池轉(zhuǎn)化效率為12%，納米硅層的引入使得原有電池的效率提高近50%。顯然，發(fā)展納米硅薄膜太陽能電池對于提高硅基薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率意義重大。然而，由于納米硅屬于間接光學(xué)帶隙半導(dǎo)體，納米硅薄膜太陽電池需要2-3 μ m厚的本征層來吸收足夠量的太陽光。因此，高速率制備高質(zhì)量、低缺陷密度的納米硅薄膜是推動納米硅薄膜電池商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵之一。納米硅薄膜的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)和磁控濺射法(PVD)。與CVD 法相比，磁控濺射法具有可以僅采用Ar工作、H的摻入量易于調(diào)節(jié)、不存在環(huán)境污染和安全問題以及對設(shè)備要求低等特點。濺射沉積制備納米硅薄膜，大部分的研究集中在采用脈沖直流或射頻磁控濺射法。然而，低的沉積速率、非理想的工藝穩(wěn)定性以及差的薄膜均勻性等問題均存在于上述兩種方法當(dāng)中。另外，價格昂貴以及阻抗匹配問題也限制射頻濺射技術(shù)在商業(yè)化納米硅薄膜制備中的應(yīng)用。始于上個世紀(jì)九十年代末的中頻磁控濺射被廣泛認(rèn)為是一種非常經(jīng)濟有效地大面積快速制備半導(dǎo)體薄膜的手段。通常中頻磁控濺射系統(tǒng)至少包含一對懸浮安裝的靶，兩個靶尺寸和外形全部相同。一方面，半導(dǎo)體薄膜沉積過程中，兩靶交替作為濺射陰極與陽極，當(dāng)靶上所加的電壓處于負(fù)半周時，靶面被正離子轟擊濺射，而在正半周時，等離子體中的電子被加速到靶面，中和了靶面上積累的正電荷，始終保持兩靶面的新鮮，從而抑制了打火。這樣兩靶放電時，時間和空間上的穩(wěn)定性得到保證，從而使得中頻濺射具備優(yōu)異的工藝重復(fù)性和薄膜均勻度。另一方面，兩靶互為濺射陰陽極交替時，兩靶間輝光等離子體中帶電粒子來回振蕩，增強其與氣態(tài)中性粒子的碰撞，從而提高整個放電區(qū)域的等離子體密度。等離子體密度的增加使得單位時間內(nèi)作用于靶面和基片表面的離子轟擊強度增強，靶面濺射速率提高，利于基片上薄膜快速、致密、高質(zhì)量地生長。中頻濺射系統(tǒng)中，用于濺射的兩個磁控靶布局有孿生靶和對靶兩種形態(tài)。通常孿生靶布局為兩靶平行并排(TwinMag I)或相互之間成一定角度相對(TwinMag II)。U. Heister等人研究表明 TwinMag II布局具有高的沉積速率和靶材利用率以及長的靶材壽命。因此，采用TwinMag II的形式排布的孿生靶布局更能滿足工業(yè)生產(chǎn)中，高效快速制備薄膜的要求。另外，磁控濺射系統(tǒng)中，磁控靶磁場的設(shè)計會極大影響靶自身的濺射能力和靶前放電空間內(nèi)等離子體密度和分布。通常磁控靶磁場設(shè)計分為平衡態(tài)和非平衡態(tài)兩種，平衡態(tài)磁控靶內(nèi)外磁體磁通量大致相等，磁力線在磁控靶面閉合，能有效地將等離子體(主要是電子)約束于靶面附近，增加碰撞幾率，提高離化效率，因而在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝并維持輝光放電，同時減少了靶面高能二次電子的逃逸，到達(dá)基片的離子電流密度小，通常約在K^mA/cm2量級，基片所受離子轟擊小，有利于實現(xiàn)低溫沉積；與之相比，非平衡態(tài)磁控靶表面的磁力線不閉合，磁力線可沿靶的邊緣擴展到基片區(qū)域，從而部分電子以及離子可以沿著磁力線擴展到基片，增強了基片區(qū)域的電離率和等離子體密度，基片處飽和離子電流密度大，通?？梢赃_(dá)到1-lOmA/cm2量級。這樣，改變磁控孿生靶的非平衡度， 就可增強或者減弱基片處的等離子體密度及離子轟擊強度。此外優(yōu)化的靶磁場設(shè)計也可以提高靶材利用率，改善等離子體在空間上的不均勻分布，控制大面積沉積薄膜的厚度和均勻性。綜上所述，采用靶磁場優(yōu)化設(shè)計的中頻孿生靶磁控濺射系統(tǒng)有望實現(xiàn)納米硅薄膜的快速沉積。關(guān)于采用中頻磁控濺射制備硅薄膜，國內(nèi)外鮮有報道，2010年China Science報道了于威等人采用中頻對靶磁控濺射制備非晶氫化硅薄膜，同年馬勝利等人采用對靶中頻磁控濺射先制備非晶硅薄膜，然后利用真空退火處理在550-950°C條件下制備出晶化率最高為45%的納米硅薄膜。盡管他們采用中頻磁控濺射制備沉積硅薄膜，但其沉積態(tài)結(jié)構(gòu)均為非晶，并沒有直接在基底上制備出納米硅薄膜，即使樣品熱處理后能得到納米硅，但其晶化率也很低；另外，采用對靶磁控濺射時兩靶共濺射對薄膜的高速率沉積貢獻(xiàn)很小，沒有充分發(fā)揮出中頻磁控濺射技術(shù)沉積速率快的特點。磁控濺射沉積主要為原子沉積，沉積到基片的粒子能量均較小，而中頻磁控濺射沉積硅薄膜時，由于沉積速率較快，基片表面吸附硅原子的遷移率會進(jìn)一步受到隨后到達(dá)基片硅粒子的限制，不利于無序硅網(wǎng)絡(luò)的馳豫，硅晶粒的形核和生長困難，因此難以得到理想的納米硅薄膜。顯然，基于上述背景開發(fā)出一種利用中頻孿生靶非平衡磁控濺射直接在襯底上快速制備納米硅薄膜的方法具有重要意義。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有不足，提供一種中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用技術(shù)方案一種中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置，包括真空室、抽氣裝置，所述濺射真空裝置內(nèi)設(shè)有非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶，孿生硅靶下方設(shè)有基片加熱臺，基片加熱臺與孿生硅靶之間設(shè)有擋板，基片加熱臺下方設(shè)有一串聯(lián)的電磁線圈組。所述的非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶兩靶之間夾角為156°。所述電磁線圈組距離孿生硅靶為80-100mm。所述非平衡態(tài)孿生磁控硅靶與設(shè)在基片加熱臺下串聯(lián)的電磁線圈形成耦合磁場，增強和約束等離子體，其中非平衡態(tài)孿生磁控硅靶內(nèi)外層永磁鐵為極性互異或極性相同。所述基片加熱臺面為嵌入氮化鋁(AlN)的不銹鋼盤。本實用新型所具有的優(yōu)點1.本實用新型中優(yōu)化磁場設(shè)計的非平衡態(tài)孿生磁控靶與外加電磁線圈構(gòu)成整個濺射系統(tǒng)的核心；孿生靶與電磁線圈之間完美耦合磁場的構(gòu)建使得放電室等離子體被牢牢約束在兩靶與電磁線圈之間并得到增強，同時也改善了等離子體在基片附近的不均勻分布；基片浸沒在空間均勻分布的聚焦等離子體中，實現(xiàn)離子輔助沉積。2.本實用新型利用不銹鋼易加工及氮化鋁導(dǎo)熱系數(shù)高、熱穩(wěn)定性好的特點，采用鑲嵌AlN的不銹鋼盤替代市售的單一不銹鋼加熱盤面，改善了基片受熱不均的問題，溫控精度也得到一定提升。3.本實用新型采用外加電磁線圈連續(xù)調(diào)整孿生靶的非平衡度，實現(xiàn)了低功耗下納米硅薄膜高速率的離子輔助沉積，薄膜晶體結(jié)構(gòu)大范圍可控、光學(xué)帶隙可調(diào)。4.本實用新型沉積過程中即采用閉合磁場的孿生靶非平衡磁控濺射實施硅薄膜的離子輔助沉積，同時采用鏡面磁場的孿生靶非平衡磁控濺射實施硅薄膜的離子輔助沉積，另外還采用鏡面磁場的孿生靶非平衡磁控濺射外加耦合磁場實施硅薄膜的離子輔助沉積。
圖1為本實用新型實施例提供的孿生靶磁控濺射系統(tǒng)示意圖。其中1.濺射真空室；2.平面孿生硅靶；3.擋板；4.基片加熱臺；5.電磁線圈組；6.真空泵組。圖2為本實用新型實施例提供的嵌入AlN的不銹鋼加熱盤示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖及具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步的詳述。實施例如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的孿生靶磁控濺射系統(tǒng)示意圖，中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置，包括真空室、抽氣裝置，所述濺射真空裝置1內(nèi)設(shè)有非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶2，孿生硅靶2下方設(shè)有基片加熱臺4，基片加熱臺4與孿生硅靶 2之間設(shè)有擋板3，基片加熱臺4下方設(shè)有一串聯(lián)的電磁線圈組5。非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶2兩靶之間夾角為156°。電磁線圈組5距離孿生硅靶2為80-100mm。非平衡態(tài)孿生磁控硅靶與設(shè)在基片加熱臺下串聯(lián)的電磁線圈形成耦合磁場，增強和約束等離子體，其中非平衡態(tài)孿生磁控硅靶內(nèi)外層永磁鐵為極性互異或極性相同?；訜崤_面為嵌入氮化鋁(AlN)的不銹鋼盤(參見圖2)。另外，嵌入氮化鋁(AlN)的不銹鋼加熱盤面為采用車削加工，在一圓形的不銹鋼盤面上加工出一直徑略大于80mm，深度為1. 5mm的圓形槽，并對槽底進(jìn)行拋光處理以達(dá)到一定光潔度，保證嵌入的圓形AlN片(直徑為80mm，粗糙度Ra為0.3微米)與不銹鋼底襯的緊密貼合，以期盡量減小兩者之間的熱阻，實現(xiàn)基片均勻受熱。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置，包括真空室、抽氣裝置，其特征在于所述濺射真空裝置(1)內(nèi)設(shè)有非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶O)，孿生硅靶(2)下方設(shè)有基片加熱臺G)，基片加熱臺(4)與孿生硅靶( 之間設(shè)有擋板(3)，基片加熱臺下方設(shè)有一串聯(lián)的電磁線圈組(5)。
2.按權(quán)利要求1所述中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置，其特征在于所述的非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶( 兩靶之間夾角為156°。
3.按權(quán)利要求1所述中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置，其特征在于所述電磁線圈組( 距離孿生硅靶O)為80-100mm。
4.按權(quán)利要求1所述中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置，其特征在于所述的非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶與設(shè)在基片加熱臺下串聯(lián)的電磁線圈形成耦合磁場， 增強和約束等離子體，其中非平衡態(tài)孿生磁控硅靶內(nèi)外層永磁鐵為極性互異或極性相同。
5.按權(quán)利要求1所述中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置，其特征在于所述基片加熱臺面為嵌入氮化鋁AlN的不銹鋼盤。
專利摘要本實用新型涉及硅薄膜材料的制備領(lǐng)域，具體的說是一種中頻磁控濺射法制備納米硅薄膜的濺射裝置。包括真空室、抽氣裝置，其特征在于所述濺射真空裝置內(nèi)設(shè)有非平衡態(tài)向下濺射的平面孿生硅靶，孿生硅靶下方設(shè)有基片加熱臺，基片加熱臺與孿生硅靶之間設(shè)有擋板，基片加熱臺下方設(shè)有一串聯(lián)的電磁線圈組。本實用新型采用外加電磁線圈連續(xù)調(diào)整孿生靶的非平衡度，實現(xiàn)了低功耗下納米硅薄膜高速率的離子輔助沉積，薄膜晶體結(jié)構(gòu)大范圍可控、光學(xué)帶隙可調(diào)。
文檔編號C23C14/35GK202246841SQ201120231838
公開日2012年5月30日 申請日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者孫超, 宮駿, 張 林, 石南林, 肖金泉, 聞立時, 高俊華 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所