非晶态碲化镉薄膜的磁控溅射生长法

摘要

非晶态碲化镉薄膜的磁控溅射生长法，其特征在于在具有六工位磁控溅射靶位的超高真空磁控溅射生长室，本底真空度优于3.0×10

说明书

技术领域

本发明涉及非晶态碲化镉(CdTe)薄膜的室温磁控溅射方法。

背景技术

碲化镉(CdTe)是重要的II-VI族化合物半导体材料。经过适当的组分配比调节，CdTe可具有n型和p型两种导电类型，n型CdTe和p型CdTe载流子的迁移率都较好，其光吸收系数(对波长小于吸收边的光)极大，厚度为1μm的CdTe薄膜，能吸收大于CdTe禁带能量99％的辐射能量，因此，CdTe薄膜已成为制备高效率、低成本太阳电池的理想吸收层材料，也适用于制备透射波段为1～30μm的红外光学元件。

随着第二代碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面(FPA)热成像系统的发展，CdTe薄膜被认为是一种理想的HgCdTe薄膜表面钝化材料。由于HgCdTe器件工艺兼容性的要求，为防止HgCdTe薄膜层中Hg的扩散和损失，CdTe薄膜的生长必须在低于70℃的条件下进行，这给CdTe薄膜的制备带来了较大的困难。目前，CdTe薄膜主要采用电沉积方法、近距离升华法、近距离蒸气输运法、真空热蒸发法等方法来制备，所制备的薄膜其致密性不好，特别在室温沉积条件下，CdTe薄膜与衬底表面的粘附性有待提高。与多晶、单晶CdTe薄膜材料相比，非晶态CdTe薄膜具有易于大面积沉积、结构均匀性好，沉积温度低，工艺兼容性好的优点，目前，未见在室温(约25℃±10℃)工艺条件下采用磁控溅射方法制备非晶态CdTe薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低，工艺可控性强，且易于工业化规模生产的非晶态CdTe薄膜材料的制备方法，以获得粘附性好，膜质均匀致密的非晶态CdTe薄膜材料，满足光电信息器件薄膜材料的应用需求。

本发明所要解决的技术问题是：在溅射生长室处于室温(25℃±10℃)的条件下，通过三种磁控溅射技术方案，分别实现非晶态CdTe膜层的制备。

本发明方法通过以下技术方案实现。

生长的基本条件为：在具有六工位磁控溅射靶位的超高真空磁控溅射生长室，本底真空度优于3.0×10^-4Pa，温度为25℃±10℃；用纯度为7N的高纯圆块状CdTe单晶靶为靶材；用纯度为5N的高纯Ar气为溅射工作气体；用载玻片为衬底材料，衬底材料先用甲苯超声清洗20分钟，再用丙酮超声清洗5～8分钟，除去表层有机物，然后用无水乙醇超声清洗5～8分钟，除去无机物杂质离子，取出后用5N级N₂气吹干，放入溅射生长室。

作为实现非晶态CdTe薄膜材料生长的单靶常规溅射技术方案，其步骤是：

(1)向磁控溅射生长室充入Ar气至真空度为1.0Pa～10Pa；

(2)开启溅射源，起辉稳定后，调节溅射功率8W～15W(相当于功率密度0.28W/cm²～0.53W/cm²)；

(3)将作为衬底的处于非溅射靶位正上方的载玻片移至溅射靶位正上方，溅射沉积CdTe膜层，沉积时间为0.2～2小时；

(4)溅射沉积结束时，先转动衬底转盘，移开衬底至非溅射靶位，再关闭溅射电源，得到非晶态CdTe薄膜。

作为实现非晶态CdTe薄膜材料生长的三靶间歇式溅射技术方案，其步骤是：

(1)向磁控溅射生长室充入Ar气至真空度为1.0Pa～10Pa；

(2)选择一个CdTe薄膜已发生明显晶化的溅射功率条件，即在15W～30W(相当于功率密度0.530W/cm²～1.061W/cm²)溅射功率范围内，选择一个溅射功率；

(3)将作为衬底的处于非溅射靶位正上方的载玻片移至溅射靶位正上方，溅射沉积非晶态CdTe膜层，沉积时间为5～20秒，然后转动衬底转盘，移开衬底，使衬底处于非溅射靶位30～60秒(即间歇30～60秒)，完成一个周期的溅射沉积，如此重复30～120个溅射沉积周期；

(4)溅射沉积结束时，先转动衬底转盘，移开衬底至非溅射靶位，再关闭溅射电源，得到非晶态CdTe薄膜。

作为实现非晶态CdTe薄膜材料生长的二靶连续间歇式溅射技术方案，其步骤是：

(1)向磁控溅射生长室充入Ar气至真空度为1.0Pa～10Pa；

(2)选择溅射功率为15W～30W(相当于功率密度0.530W/cm²～1.061W/cm²)；

(3)选择衬底转盘的公转速度为每分钟1～5周，当衬底进入溅射靶位正上方时，衬底上沉积非晶态CdTe膜层，而当衬底转出溅射靶位正上方时，衬底上无非晶态CdTe薄膜沉积，沉积时间为1～3小时；

(4)溅射沉积结束时，通过电脑程序停止步进电机，关闭溅射电源，得到非晶态CdTe薄膜。

本发明的有益效果是：在较低的室温(25℃±10℃)条件下，实现了非晶态CdTe薄膜的制备；采用本发明制备的非晶态CdTe薄膜粘附性好，膜质均匀致密；本发明具有工艺可控性强，生产成本低，易于工业化规模生产的优点。

附图说明

图1为磁控溅射生长室示意图；

图2为非晶态CdTe薄膜大致的“生长窗口”图；

图3为采用单靶常规溅射技术方案生长的非晶态CdTe薄膜的X射线衍射图；

图4为采用三靶间歇式溅射技术方案生长的非晶态CdTe薄膜的X射线衍射图；

图5为采用二靶连续间歇式溅射技术方案生长的非晶态CdTe薄膜的X射线衍射图。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于下面的实施例。

实施例一：

本实施例是采用单靶常规溅射技术方案生长非晶态CdTe薄膜的情形。如图1所示，在FJL560III型超高真空磁控与离子束联合溅射设备的磁控溅射生长室内，水平安置一个圆盘，在圆盘一定半径的圆周上均匀分布有六个大小相同的圆形磁控溅射靶位，顺时针定义溅射靶位为A、B、C、D、E、F。在该圆盘的正上方设有一个与圆盘同轴的衬底转盘，衬底转盘上与磁控溅射靶位等径的圆周上均匀分布有六个圆形的衬底托，衬底托与磁控溅射靶位的大小和位置一一对应，顺时针定义衬底托位置编号为1、2、3、4、5、6。衬底转盘上设计有公转轴，电脑程序控制的步进电机可带动公转轴转动进而使衬底转盘公转，实现对衬底托位置的控制，达到控制衬底托所处靶位的目的。圆盘上的六个靶位由六个独立的溅射电源控制，可分别独立溅射CdTe靶材，在六个对应的衬底托位置沉积CdTe薄膜。所用的溅射靶材为纯度7N的高纯CdTe圆块状靶材。溅射工作气体用纯度5N的高纯Ar气。所用的衬底材料为帆船牌7101号载玻片，厚度约1mm，衬底材料先用甲苯超声清洗20分钟，再用丙酮超声清洗5～8分钟，除去表层有机物，然后用无水乙醇超声清洗5～8分钟，除去无机物杂质离子，取出后用5N级N2气吹干，超声清洗用市购的超声清洗器。

具体工艺步骤为：将清洗处理过的7101号载玻片衬底放入4号衬底托位置，待溅射生长室的本底真空度优于3×10^-4Pa时，向溅射生长室内通入5N级Ar气至1.0Pa～10Pa，开启A靶磁控溅射电源，起辉稳定后，调节溅射功率从8W到15W(相当于功率密度0.28W/cm²～0.53W/cm²)，转动衬底转盘，调节4号衬底托位置的7101号载玻片衬底至A靶溅射位置的正上方，溅射沉积CdTe膜层，沉积时间为0.5小时，溅射沉积结束时，先转动衬底转盘，移开衬底至非溅射靶位，再关闭溅射电源。

取出溅射沉积所得的CdTe膜层，X射线衍射测试得出衬底样片上制备的CdTe薄膜均显示非晶态结构(如图3所示)。

通过进一步测试溅射沉积所得的CdTe膜层，得出非晶态CdTe薄膜大致的“生长窗口”范围，如图2所示。图2中用虚线连接两个空心圆的第一条线简称“无膜线”，在这两个空心圆点对应的实验条件下，透明的载玻片上无薄膜沉积，表征空心圆连线左侧实验条件无薄膜沉积，而右侧有薄膜沉积，是有薄膜与无薄膜沉积的分界线；图2中用虚线连接实心五角星的第二条线简称“起辉线”，在这四个实心五角星点对件下，射频源功率只有加到等于实心五角星对应的溅射功率时，Ar气才开始起辉电离。值得注意的是，以(12W、3Pa)点为参照，固定溅射气压为3Pa，Ar气起辉电离后，适当降低溅射功率为11W、10W和9W三个点，可形成非晶CdTe薄膜，当溅射功率降低到8W时，无薄膜沉积；图2中用虚线连接五个实心三角形的第三条线简称“晶化线”，在这五个实心三角形点对应的实验条件下，CdTe薄膜显示了较强的晶化衍射峰强，和较窄的衍射半峰宽。在图2的实验点中，表征左侧实验条件有非晶薄膜沉积或无薄膜沉积，而右侧有晶化薄膜沉积，由上述三条实验点线大致勾画出无膜、非晶、晶化三个薄膜结构形态区域。一方面说明磁控溅射CdTe薄膜较易晶化，另一方面，本实验“生长窗口”示意图可用于指导磁控溅射非晶态CdTe薄膜的制备。

实施例二：

本实施例是采用三靶间歇式溅射技术方案生长非晶态CdTe薄膜的情形。如图1所示，所用设备、材料及处理均与实施例一相同，不同的具体工艺步骤为：

将清洗处理过的7101号载玻片衬底放入溅射生长室的2、4、6号三个衬底托位置，待溅射生长室的本底真空度优于3×10^-4Pa时，向溅射生长室内通入5N级Ar气至3.0Pa；开启A、C、E三个溅射靶位的磁控溅射电源，起辉稳定后，调节溅射功率均为25W；在每个周期内，转动衬底转盘，调节2、4、6号三个衬底托位置的衬底对准至A、C、E靶位的正上方，溅射沉积CdTe膜，沉积时间为10秒；然后转动衬底转盘，移开2、4、6号衬底托至非溅射靶位，使衬底处于非溅射状态30秒，即间歇30秒，记为一个周期，如此重复60个周期；溅射沉积结束时，移开衬底至非溅射靶位，关闭溅射电源。

取出溅射沉积所得的CdTe膜层，X射线衍射测试得出三个衬底样片上制备的CdTe薄膜均显示非晶态结构(如图4所示)。

实施例三：

本实施例是采用二靶连续间歇式溅射技术方案生长非晶态CdTe薄膜的情形。如图1所示，所用设备、材料及处理均与实施例一相同，不同的具体工艺步骤为：

将清洗处理过的7101号载玻片衬底放入溅射生长室的2、5号两个衬底托位置，待溅射生长室的本底真空度优于3×10^-4Pa时，向溅射生长室内通入5N级Ar气至3.0Pa；开启A、D二个溅射靶位的磁控溅射电源，起辉稳定后，调节溅射功率均为25W，调节衬底转盘的公转速度为每分钟3周，设定沉积时间为2小时，当衬底进入溅射靶位正上方时，衬底上沉积CdTe薄膜，而当衬底转出溅射靶位正上方时，衬底上无CdTe薄膜沉积。溅射沉积结束时，通过电脑程序停止步进电机，关闭溅射电源。

取出溅射沉积所得的CdTe膜层，X射线衍射测试得出两个衬底样片上制备的CdTe薄膜均显示非晶态结构(如图5所示)。