[发明专利]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

说明书

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。