纳米和微米硅薄膜的脉冲电子束沉积方法

摘要

本发明公开了一种纳米和微米硅薄膜的脉冲电子束层积方法，包括：1）将硅酸盐玻璃作为衬底置于PED的真空腔体沉积室的样品台上，衬底与靶材之间的距离为40mm；2）当本底真空度低于10

说明书

技术领域

本发明涉及利用脉冲电子束沉积方法，尤其涉及在较低的衬底温度下（室 温至300°C）制备纳米和微米硅薄膜的脉冲电子束沉积方法。

背景技术

硅材料在光电器件方面有重要的应用，尤其是作为现代绿色能源的太阳 能电池材料。

对于硅薄膜材料，相比于单晶硅和多晶硅，由于其低成本和易于规模生 产，已经在太阳能电池中占据很大的份额。硅薄膜的光学带隙可以通过镶嵌 在其中的硅颗粒的尺寸来调节，如果以此来设计具有不同光学带隙的多结太 阳能电池，其会吸收更宽范围波长的光，从而提高太阳能利用效率。

现在纳米硅薄膜的太阳能电池效率已经达到12%。另外，纳米和微米硅 薄膜太阳能电池也会避免在非晶硅太阳能电池中出现的光衰退效应（S-W  effect）。

现在已经有很多种方法用来制备硅薄膜太阳能电池，如等离子体增强化 学气相沉积（PECVD），射频磁控溅射及脉冲激光沉积（PLD）等。

其中，在薄膜太阳能电池的产业化生产中，PECVD得到大规模的普遍应 用。为了获得纳米或微米硅薄膜，通常需要较高的衬底沉积温度或后退火处 理。而在接近室温的衬底温度下沉积结构可控的硅薄膜还很难实现，也是一 项很有意义的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米和微米硅薄膜的脉冲电子束层积方法， 能够在较低衬底温度条件下获得纳米和微米硅薄膜。

本发明的一种纳米和微米硅薄膜的脉冲电子束层积方法包括：

1）将硅酸盐玻璃作为衬底至于PED的真空腔体沉积室的样品台上，衬 底与靶材之间的距离为40mm；

2）当本底真空度低于10^-4Pa时，通入氩气，调节工作气压为0.1～0.3Pa， 控制衬底温度在室温（20°C）到300°C之间进行硅薄膜的沉积，获得纳米或 微米硅薄膜。

在进行硅薄膜层积的时候，控制脉冲电子束频率为4Hz，脉冲电压为18 kV，脉冲数为60000次。

本发明采用PED方法以衬底温度作为控制参数沉积纳米和微米硅薄膜， 当衬底温度较低时，由电子束与靶直接相互作用形成的硅纳米团簇就会形成， 沉积到薄膜上时，被镶嵌在非晶硅的基质中，形成纳米硅薄膜。当衬底温度 升高时，硅的颗粒尺寸就会逐渐变大，其中衬底温度达到300°C时，由于衬 底的热效应导致硅团簇的聚集和长大，最终达到微米尺寸。

附图说明

图1为脉冲电子束沉积（PED）仪器及沉积过程示意图；

图2为PED在不同衬底温度下沉积硅薄膜的SEM图；

图3为PED在不同衬底温度下沉积硅薄膜的拉曼谱；

图4为PED在不同衬底温度下沉积硅薄膜的紫外－可见谱及其光学带 隙；

图5为PED在不同衬底温度下沉积硅薄膜的高分辨TEM图像。

具体实施方式

脉冲电子束沉积方法是用高能的电子束（≥10⁸W/cm²）去轰击靶材，受 轰击靶材区域会产生化学键的离化，同时其温度（远高于靶材组分的熔点） 也会迅速升高，产生靶材组分的蒸发，这样靶材就会被转化为组成为电子、 离子、原子和分子的等离子体被喷射出来形成余辉沉积到衬底上，其仪器和 沉积过程的示意图见图1。

电子束与靶材的作用是一种非热力学平衡过程，此时组成靶材的各组分 的熔点和比热等热力学特性变得不太重要，可以得到保持靶材化学计量比的 薄膜材料，所以其用于沉积复杂多组分的薄膜材料具有独特的优点，如高温 超导薄膜，铁电和庞磁阻等过渡金属氧化物薄膜材料，且对于以氧气作为等 离子体气源和腔体气氛，PED已经有规格化的操作参数。而用PED沉积含硅 组分的材料则只有很少的报道，而对于在较难电离的惰性气体下沉积纯硅薄 膜，则至今未见报道。

本发明是用脉冲电子束沉积方法在较低的衬底温度下制备纳米和微米硅 薄膜。以普通的硅酸盐玻璃作为衬底，分别在丙酮和酒精中超声清洗30分钟， 氮气吹干后，放置于真空腔体沉积室的样品台上。衬底与靶材之间的距离为 40mm。当本底真空度低于10^-4Pa时，通入氩气，调节工作气压为0.1～0.3Pa， 衬底温度分别控制在室温（20°C），100°C，200°C和300°C，脉冲电子束频 率4Hz，脉冲电压18kV，脉冲数为60000次。在此之前，先用低脉冲电压 12kV预打2000次，然后打开挡板进行硅薄膜的沉积。

本发明采用PED方法以衬底温度作为控制参数沉积了纳米和微米硅薄 膜。当衬底温度较低时，由电子束与靶直接相互作用形成的硅纳米团簇就会 形成，沉积到薄膜上时，被镶嵌在非晶硅的基质中，形成纳米硅薄膜。当衬 底温度升高时，硅的颗粒尺寸就会逐渐变大，其中衬底温度达到300°C时， 由于衬底的热效应导致硅团簇的聚集和长大，最终达到微米尺寸。

对于所制备的薄膜，我们用扫描电子显微镜（SEM）观察其表面形貌， 见图2；用紫外－可见光谱仪（UV-Vis spectroscopy）表征其光学带隙，见图 3；用拉曼光谱仪（Raman spectroscopy）和透射电子显微镜（TEM）说明硅 薄膜结晶情况，见图4和图5。

另外，表1列出了本征硅和所沉积硅薄膜的拉曼谱的各项参数。此方法 为在较低的衬底温度下可控制备纳米和微米硅薄膜提供了一种可行方案。

表1.PED在不同衬底温度下沉积硅薄膜的拉曼谱对应的各项参数及本征 硅的特征参数，包括硅薄膜中结晶相的拉曼峰位，相对本征硅的频移，硅薄 膜中颗粒的尺寸及特征峰的半高宽。