一种低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，首先将清洗好的衬底放置到对靶磁控溅射装置的基片台上，然后对对靶磁控溅射装置的反应室抽真空，并用氩等离子体清对靶磁控溅射装置的基片台和反应室器壁，再加热基片台，向反应室通入反应气体并调节气压，开启溅射电源并开始非晶氮化硅薄膜的沉积，至得到非晶氮化硅薄膜样品，最后在氢气保护下降温至室温，取出样品，完成氢化非晶氮化硅薄膜的沉积。本发明能够利用对靶磁控反应溅射沉积技术在低温下快速沉积氢化非晶氮化硅薄膜。

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜制备领域，尤其涉及一种低温高速沉积用作太阳能电池减反薄膜的氢化非晶氮化硅薄膜的方法。

背景技术

氢化非晶氮化硅薄膜制备技术已成为备受关注课题，由于其非凡的光电特性使得其在微电子技术领域和太阳能技术领域具有重大的实用意义和广阔的应用前景。在其传统的制备工艺中，存在至少如下两个缺陷：①衬底温度很高，容易导致薄膜的掺杂；②薄膜层生长缓慢，商业化成本很高。为此，人们提出了多种氢化非晶氮化硅薄膜的制备新方法，但仍然未能很好的解决上述技术问题，实现氢化非晶硅薄膜的低温快速生长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，利用对靶磁控反应溅射沉积技术在低温下快速沉积氢化非晶氮化硅薄膜。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，使用对靶磁控反应溅射沉积技术，其包含如下步骤：

A、清洗衬底，并将衬底放置到对靶磁控反应溅射沉积装置的基片台上，此衬底为单晶硅片或石英片或康宁玻璃或塑料衬底；

B、利用对靶磁控反应溅射沉积装置的真空抽气系统对其反应室抽真空，使得反应室气压低于5×10^-4Pa；

C、氩等离子体清洗对靶磁控反应溅射沉积装置的靶材和反应室器壁，其步骤为：首先用挡板遮盖衬底，将氩气以5-15sccm的流量通入反应室，开启溅射电源，开始清洗，持续20-40分钟，然后关闭溅射电源；

D、加热基片台至20-250℃，向反应室通入反应气体，反应气体包括H₂、Ar和N₂，流量比(H₂+Ar)∶N₂＝(18-22)∶1，其中H₂与Ar的流量比为H₂∶Ar＝(1-4)∶1，气压调节为0.1-5Pa，开启溅射电源，功率保持在75-85W之间，开始非晶氮化硅薄膜的沉积，至得到氢化非晶氮化硅薄膜样品；

E、沉积完成后，首先关闭溅射电源，再将氩气流量调为零，保持氢气流量不变，然后关闭基片台加热器，在氢气保护下降温，基片台温度降到室温后，将氢气流量调为零，并关闭真空抽气系统，然后在反应室中充入干燥氮气至反应室中压强为一个大气压时，打开反应室取样窗口，取出沉积有氢化非晶氮化硅薄膜的衬底，关闭反应室的取样窗口，完成氢化非晶氮化硅薄膜的沉积。

步骤1-A所述的衬底可以为单晶硅片，对此单晶硅片进行化学清洗的步骤如下：先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分钟，取出烘干，再用体积比NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5的混合溶液浸泡5分钟，取出用去离子水冲洗，再放入体积比HF∶H₂O＝1∶10的混合溶液中浸泡1分钟，取出用去离子水冲洗，烘干。

步骤1-A所述的衬底还可以为石英片或者康宁玻璃，对此石英片或者康宁玻璃进行化学清洗的步骤为：先用丙酮在超声波清洗仪中对其清洗8-12分钟，再用蘸有酒精的脱脂棉球将其擦净，最后烘干。

步骤1-A所述的衬底还可以为塑料衬底，对此塑料衬底进行化学清洗的步骤为：用酒精在超声波清洗仪中对其清洗8-12分钟，然后烘干。

所述对靶磁控反应溅射沉积装置的靶材为高阻纯硅靶。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明能够在20-250℃的低温下快速制备氢化非晶氮化硅薄膜，利用对靶磁控反应溅射沉积技术制备氢化非晶氮化硅薄膜，等离子体被约束在两个相对的溅射靶之间，导致Ar、H₂、N₂等反应气体具有高效激发和解离特性，从而实现在高等离子体密度之下的高效靶溅射，不仅所需衬底温度低，而且沉积速度快；同时，由于薄膜衬底位于等离子体区之外，避免了高能粒子对薄膜的轰击，更有利于薄膜的微观有序化沉积。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是实施例1-5在不同衬底温度下所沉积的氢化非晶氮化硅薄膜的原子力形貌图；

图2是实施例1-5在不同衬底温度下所沉积的氢化非晶氮化硅薄膜的光学透射光谱；

图3是实施例1-5在不同衬底温度下所沉积的氢化非晶氮化硅薄膜的傅里叶红外吸收谱；

图4是实施例6-9所沉积的氢化非晶氮化硅薄膜的原子力形貌图；

图5是实施例6-9所沉积的氢化非晶氮化硅薄膜的光学透射光谱；

图6是实施例6-9所沉积的氢化非晶氮化硅薄膜的傅里叶红外吸收谱。

具体实施方式

以下实施例详细说明了本发明的技术方案。

本发明所使用的对靶磁控反应溅射沉积装置，可以是美国专利“对靶溅射设备”，其专利号为“US 2003/0094365A1”；此装置包括溅射电源、用于调节溅射电源功率的调节电路、反应室、位于反应室内的对靶和基片台及基片台加热器、设置在反应室上的进气控制装置、真空抽气系统。

实施例1

本发明第一实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，包含如下步骤：

A、取一单晶硅片衬底，先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分钟，取出烘干，再用体积比NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5的混合溶液浸泡5分钟，取出用去离子水冲洗，再放入体积比HF∶H₂O＝1∶10的混合溶液中浸泡1分钟，取出用去离子水冲洗，烘干，然后将衬底放置到对靶磁控反应溅射沉积装置的基片台上；

B、利用真空抽气系统对对靶磁控反应溅射沉积装置的反应室抽真空，使得反应室气压低于5×10^-4Pa；

C、先用挡板遮盖衬底，然后将氩气以10sccm的流量通入反应室，开启溅射电源，功率保持在100W，利用氩等离子体对高阻纯硅靶和反应室器壁进行清洗，持续30分钟，然后关闭溅射电源；

D、加热基片台至20℃，将15sccm流量的氢气、15sccm流量的氩气和1.5sccm流量的氮气通入反应室，调节真空抽气系统，使反应室内气压保持在0.4Pa，开启溅射电源，功率保持在80W，开始氢化非晶氮化硅薄膜的沉积，；

E、用台阶仪测定薄膜厚度，待薄膜沉积至所需厚度后，首先关闭溅射电源，再将氩气流量调为零，保持氢气流量不变，然后关闭基片台加热器，在氢气保护下降温，基片台温度降到室温后，将氢气流量调为零，并关闭真空抽气系统，然后在反应室中充入干燥氮气至反应室中压强为一个大气压时，打开反应室取样窗口，取出沉积有氢化非晶氮化硅薄膜的衬底，关闭反应室的取样窗口，完成氢化非晶氮化硅薄膜的沉积。

实施例2

本发明第二实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，其步骤与实施例1相同，只是在步骤1-D中加热基片台至100℃。

实施例3

本发明第三实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，其步骤与实施例1相同，只是在步骤1-D中加热基片台至150℃。

实施例4

本发明第四实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，其步骤与实施例1相同，只是在步骤1-D中加热基片台至200℃。

实施例5

本发明第五实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，其步骤与实施例1相同，只是在步骤1-D中加热基片台至250℃。

实施例1-5采用了不同的衬底温度，图1给出了实施例1-5所得到的氢化非晶氮化硅薄膜的原子力形貌图，由图明显可见，薄膜成颗粒状分布，随着衬底温度的升高，薄膜表面粗糙度，即RMS，逐渐降低。当Ts＝250℃时，薄膜呈现较好的粒子互相融合的表面结构，薄膜致密平整，RMS＝0.2nm。和普通磁控溅射沉积技术相比，本发明的低温沉积技术由于抑制了等离子体中高能粒子的轰击效应，所获得的薄膜具有更高的表面颗粒均匀度及更小的表面粗糙度。

图2给出了实施例1-5所沉积样品的光学透射光谱，图中显示，薄膜透射曲线表现为从350nm附近开始的高透射部分及紫外波段逐渐增加的带边吸收部分。四样品均具有从可见到近红外光波段超过90％的透射率，由对应的光谱干涉效应所计算的四样品薄膜折射率分别为1.80，1.85，1.98，2.16，2.39，接近理想折射率2.0，非常适合硅基太阳能电池减反薄膜的设计应用。

氢化非晶氮化硅薄膜的高透射行来源于薄膜致密性的增加和缺陷密度的减小，此结果与原子力形貌图所显示的结果一致，进一步证明了本发明在低温下制备结构稳定的氢化非晶氮化硅太阳能电池减反薄膜的优越性。

图3给出了实施例1-5所沉积样品的傅里叶红外吸收谱，由图可知，四样品的吸收强度随衬底温度的增加而变化，其中Si-N键伸展模吸收强度逐渐增加，而Si-H键和N-H键伸展模吸收强度逐渐减弱，这种结果表明本发明在较低的衬底温度即获得了总体键、Si-N键和Si-H键密度较高的氢化非晶氮化硅薄膜，这又证明了利用本发明的技术方案可以制备结构稳定、光学性能优异的硅基太阳能电池减反膜。

实施例6

本发明第六实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，包含如下步骤：

A、步骤1-A所述的衬底还可以为或者康宁玻璃，对此石英片或者康宁玻璃进行化学清洗的步骤为：。

取一石英片衬底，先用丙酮在超声波清洗仪中对其清洗8-12分钟，再用蘸有酒精的脱脂棉球将其擦净，烘干，然后将衬底放置到对靶磁控反应溅射沉积装置的基片台上；

B、利用真空抽气系统对对靶磁控反应溅射沉积装置的反应室抽真空，使得反应室气压低于5×10^-4Pa；

C、先用挡板遮盖衬底，然后将氩气以10sccm的流量通入反应室，开启溅射电源，功率保持在100W，利用氩等离子体对高阻纯硅靶和反应室器壁进行清洗，持续30分钟，然后关闭溅射电源；

D、加热基片台至150℃，将30sccm流量的氢气、氩气和1.5sccm流量的氮气通入反应室，其中氢气与氩气的流量比为1∶1，调节真空抽气系统，使反应室内气压保持在0.4Pa，开启溅射电源，功率保持在80W，开始氢化非晶氮化硅薄膜的沉积，；

E、用台阶仪测定薄膜厚度，待薄膜沉积至所需厚度后，首先关闭溅射电源，再将氩气流量调为零，保持氢气流量不变，然后关闭基片台加热器，在氢气保护下降温，基片台温度降到室温后，将氢气流量调为零，并关闭真空抽气系统，然后在反应室中充入干燥氮气至反应室中压强为一个大气压时，打开反应室取样窗口，取出沉积有氢化非晶氮化硅薄膜的衬底，关闭反应室的取样窗口，完成氢化非晶氮化硅薄膜的沉积。

实施例7

本发明第七实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，其步骤与实施例6相同，只是在步骤1-D中氢气与氩气的流量比为2∶1。

实施例8

本发明第八实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，其步骤与实施例6相同，只是在步骤1-D中氢气与氩气的流量比为3∶1。

实施例9

本发明第九实施例的低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法，其步骤与实施例6相同，只是在步骤1-D中氢气与氩气的流量比为4∶1。

实施例6-9采用了不同的氢氩流量比，图4给出了实施例6-9所得的氢化非晶氮化硅薄膜的原子力形貌图，图5给出了实施例6-9所沉积样品的光学透射光谱，图6给出了实施例6-9所沉积样品的傅里叶红外吸收谱，这些结果显示在不同的氢氩流量比条件下，利用本发明的技术方案都可以制备结构稳定、光学性能优异的硅基太阳能电池减反膜。

另外，在本发明中，对靶磁控反应溅射沉积装置的靶材还可选用不同掺杂浓度的N硅靶或P硅靶，实现P型或N型氢化非晶氮化硅薄膜的制备，以应用于薄膜太阳能电池产业的不同领域。

本发明列举的实施例旨在进一步地阐明这种低温高速沉积氢化非晶氮化硅薄膜的方法和应用方向，而不对本发明的范围构成任何限制。