磁控溅射法沉积硅薄膜的研究

摘要

太阳电池是一个朝阳产业，也是现在发展正非常火热的一个行业。非晶硅、微晶硅薄膜太阳电池在硅系太阳电池中具有很大的性价比优势。本文使用磁控溅射法沉积硅薄膜，通过优化薄膜沉积的工艺参数，以期为用溅射法最终制备出高质量的器件级硅薄膜提供科学数据。磁控溅射法是一种简单、低温、快速的成膜技术，能够不使用有毒气体和可燃性气体进行掺杂和成膜，直接用掺杂靶材溅射沉积，此法节能、高效、环保。可通过对氢含量和材料结构的控制实现硅薄膜带隙和性能的调节。与其它技术相比，磁控溅射法最大的优势是它的沉积速率快，具有诱人的成膜效率和经济效益，该技术有望大幅降低太阳电池成本。 本文在玻璃衬底上沉积硅薄膜，研究溅射工艺参数对薄膜的光学性能和结构组分的影响。本论文的主要研究内容和结论可总结如下： 1、随着溅射氢气分压增加，硅薄膜光学带隙（Eg）增大，折射率减小，吸收系数和消光系数减小，薄膜的有序度逐渐减小。硅薄膜的沉积速率随氢分压的增加先增大后减小，在低溅射功率、高氢稀释比条件下，沉积速率超过10nm/min。 2、沉积温度升高，Eg逐渐减小并趋于平稳，折射率变大，吸收系数和消光系数增大，薄膜有序度增加。基片温度的变化对薄膜沉积速率的影响很小。 3、随着溅射电流的增大，薄膜的截止边逐渐红移。沉积电流增加，Eg减小，薄膜的折射率逐渐增大，吸收系数也增大。但对0.14A电流沉积样品的Eg、折射率和吸收系数都偏离这一趋势。低功率下沉积薄膜的有序度高。沉积速率随溅射功率的增大而单调增大，在较大沉积功率下，沉积速率可达30nm/min。 4、薄膜的折射率、吸收系数和消光系数均随波长的增加而减小。拉曼光谱测试结果表明，所沉积薄膜中没有生成晶粒。在400nm波长处，改变沉积参数，薄膜吸收系数在104cm-1到105cm-1数量级之间变化，消光系数在0.3附近。 5、沉积的薄膜样品经长期放置以后，薄膜的有序度降低很多。红外光谱分析表明薄膜中存在SiH，SiH2或（SiH2）n键以及Si—O键；增加沉积时的氢气分压，氢在薄膜中的存在状态稳定。X射线光电子能谱（XPS）测试分析得出，薄膜试样表面由N，C，O，Na，Si组成；当膜厚达到约40nm时，较高沉积温度下，玻璃中的Na+离子不会扩散到膜面上。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2硅薄膜太阳电池的研究现状

1.3非晶硅薄膜

1.3.1非晶硅的结构

1.3.2非晶硅材料的光电特性

1.3.3非晶态半导体的导电特性

1.4多晶硅薄膜

1.4.1多晶硅薄膜的结构特点

1.4.2多晶硅薄膜的光电性能

1.4.3多晶硅的电学输运机制

1.5其他单晶/非晶混相硅基材料

1.6单结、多结太阳电池的结构及光伏机理

1.7选题的目的及实验内容

第2章磁控溅射和薄膜生长

2.1磁控溅射法沉积薄膜

2.1.1磁控溅射原理

2.2.2溅射法分类

2.1.3磁控溅射特点

2.1.4影响磁控溅射法制备氢化硅薄膜的因素

2.2薄膜的生长机理

3.3薄膜中的缺陷

3.5薄膜的致密度

第3章实验部分

3.1玻璃基片的清洗

3.2溅射设备及主要参数

3.3薄膜试样的结构和性能表征方法

3.3.1薄膜结构的测定

3.3.2光学性能测定

3.3.3红外光谱分析测试

3.3.4 NKD7000W测试设备

3.3.5 X射线光电子能谱

第4章工艺参数对薄膜光学常数的影响

4.1引言

4.1.1、非晶态半导体的光学带隙

4.1.2、影响光学带隙的因素

4.1.3、非晶态半导体的光吸收

4.2溅射氢气分压对薄膜结构及性能的影响

4.2.1氢分压对薄膜光学带隙的影响

4.2.2氢分压对薄膜折射率的影响

4.2.3氢分压对薄膜吸收系数和消光系数的影响

4.3溅射基片温度对薄膜结构及光电性能的影响

4.3.1基片温度对薄膜光学带隙的影响

4.3.2基片温度对薄膜折射率的影响

4.3.3基片温度对薄膜吸收系数和消光系数的影响

4.4溅射电流对薄膜结构及光电性能的影响

4.4.1溅射电流对薄膜光学带隙的影响

4.4.2溅射电流对薄膜折射率的影响

4.5本章小结

第5章Si薄膜的结构和成分分析

5.1 Raman光谱表征工艺参数对薄膜结构的影响

5.1.1引言

5.1.2氢气分压对薄膜结构的影响

5.1.3基片温度对薄膜结构的影响

5.1.4溅射功率对薄膜结构的影响

5.1.5放置时间对薄膜有序度的影响

5.2 NKD7000W表征工艺参数对沉积速率的影响

5.2.1氢气分压对薄膜沉积速率的影响

5.2.2衬底温度对沉积速率的影响

5.2.3溅射功率对薄膜沉积速率的影响

5.3红外透射光谱分析

5.4 Si薄膜的XPS分析

5.5本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

硕士期间所发表论文