一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新一代高效太阳电池技术领域，特别涉及一种采用微波退火制备硅量子点薄膜的方法。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的日益枯竭和环境污染等问题的出现，太阳能作为一种可再生能源，已成为人们研宄的热点。而通过太阳电池将太阳能直接转换为电能是一种非常有效的途径。为增强与常规能源的竞争力，人们一直希望研发高效低成本的新型太阳电池。从目前的光伏市场来看，硅基太阳电池仍然处于主导地位，这主要得益于其所需的硅材料含量丰富、无毒以及成熟的器件制备工艺。现已实现市场化的“第一代”、“第二代”硅基太阳电池发展趋于成熟，但其较低的转换效率导致电力生产成本仍难以具有市场竞争力。以高效率、低成本、长寿命和环境友好为目标的新一代太阳电池已成为当前太阳电池研宄的热点之一。硅量子点薄膜材料以其独特的物理特性，有望在未来成为新一代高效太阳电池的核心材料之一。
[0003]传统的硅量子点薄膜制备主要通过磁控溅射或化学气相沉积并结合管式炉退火或快速光热退火技术实现。我们经过多年研宄，也利用磁控溅射结合快速光热退火或化学气相沉积结合快速光热退火制备出硅量子点。在2009年申请并获得授权发明专利(专利号:ZL200910094696.8)。
[0004]在硅量子薄膜制备技术中，磁控溅射技术具有成本较低、工艺成熟、沉积速度快等特点。然而磁控溅射沉积的富硅硅化物薄膜通常需要高温退火(多1100° C)才能形成硅量子点。由于退火温度较高，制约了器件工艺，难以达到新一代太阳电池的低成本要求。
[0005]微波退火作为一种新兴的退火方式，它具有加热快速、均匀和高效等特点，在对富硅硅化物进行微波退火时，可提高原子运动的活性，促进原子的重新排列，有助于硅和硅化物的相分离(形成硅量子点)，降低硅量子点的生长温度和能耗。我们通过对磁控溅射沉积制备的富硅硅化物薄膜进行微波退火制备出硅量子点薄膜。此法避免了长时间高温退火，简单易行，成本低，丰富了硅量子点薄膜材料的制备方法。对文献的进一步检索和分析，至今尚未见到磁控溅射技术和微波退火相结合的两步法制备硅量子点的新方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种采用微波退火制备硅量子点薄膜的方法，该方法将具有成熟工艺条件的磁控共溅射技术和新兴的微波退火技术相结合，在降低退火温度的情况下实现高质量的娃量子点薄膜的制备。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的。
[0008]一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法，该方法包括以下步骤:
1)选用单晶硅片和石英玻璃片作为衬底，并进行镀膜前预处理；
2)以氩气作为溅射气体，采用脉冲电源和射频电源分别对Si靶和Si3N4(或3102或SiC)靶进行磁控共溅射，沉积富硅硅化物和Si多层薄膜；
3)然后在氩气氛下进行微波退火处理，即得到硅量子点薄膜；
4)采用XPS分析硅量子点薄膜成分；
5)进行微结构和电学性能测试。
[0009]进一步地，所述步骤I)中，单晶娃片衬底的厚度为0.2~lmm，石英片衬底厚度为0.5~1_。其中单晶硅衬底依次经浓度为5%的氢氟酸腐蚀表明氧化层10~15s，去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15~20min ;石英片依次经去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15~20min。
[0010]进一步地，所述步骤2)中，本底真空3X10_5~lX10_4Pa，工作气体氩气的流量为30~50sccm，工作压强为0.3-0.5Pa，衬底温度200~400 ° C ;接Si靶的脉冲电源功率80~120W，接Si3N4 (或5丨02或SiC)靶的射频电源功率40~80W。
[0011]进一步地，所述步骤3)中，采用微波退火法，升温速率约为20~50° C/s，退火温度为700~900° C，保持时间2~6min，然后随炉冷却。
[0012]本发明与其它退火形成硅量子点薄膜的方法相比，具有如下优点:
本发明方法通过微波的作用可以加快硅和硅化物相分离，降低硅量子点的晶化温度，提高硅量子点的晶化率。本方法在降低成本的同时，也获得一种可与硅量子点太阳电池制备工艺相兼容的硅量子点制备方法。
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例提供的退火前的薄膜结构示意图(对应具体实施例1部分的步骤二 )。
[0014]图2为本发明各实施例中的微波装置和样品放置方式示意图。
[0015]图3为本发明各实施例对应的硅量子点薄膜的检测GIXRD图。
【具体实施方式】
[0016]下面用具体实施例，并参照附图，对本发明的目的、技术方案和优点进一步详细说明。
[0017]实施例1
Si/S1x多层膜的制备
步骤一、衬底清洗:厚度为1_的石英片，依次经去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15min ；
步骤二、溅射镀膜:采用磁控共溅射法在石英衬底上制备S1x/Si多层薄膜。本底真空5X10_5Pa，衬底温度为300°C，氩气流量40sccm，工作气压0.3Pa，接Si靶的脉冲电源功率100W，接S12靶的射频电源功率40W。如图1所示，在衬底101上生长一层1nm厚的S12缓冲层102，然后交替生长5nm厚的富硅氧化硅层103和5nm厚的硅层104(共20个周期)，最后生长一层1nm厚的S12盖帽层(Capping layer) 105 ；
微波退火晶化过程
取出样品放入密闭的微波退火炉中进行退火处理，如图2所示，样品放置在腔室的中部(该处的微波场最均匀)，样品表面温度采用红外温度计直接测试；抽真空至10Pa，然后通入氮气至一个大气压，再抽真空至lOPa，再通氮气至一个大气压，如此反复3次后，再通入氮气并维持在略低于大气压的氮气环境；开启微波源，调节功率至1200W (平均升温速率25° C /min)，升温至900°C后调节为恒温模式保持在900°C下退火处理3分钟，然后关闭微波源，随炉冷却。得到的硅量子点的GIXRD测试结果如图3(a)所示。
[0018]实施例2:
与实施例1类似，其区别在于退火温度为800° Co得到的硅量子点的GIXRD测试结果如图3(b)所示。
[0019]实施例3:
与实施例1类似，其区别在于退火温度为700° Co得到的硅量子点的GIXRD测试结果如图3(c)所示。
[0020]实施例4:
单层富硅SiNx薄膜的制备
与实施例1类似，其区别在于沉积的薄膜为在清洗过的硅衬底上250° C生长300nm厚的富硅氮化硅单层薄膜；沉积富硅氮化硅薄膜时，接Si3N4靶的射频电源功率50W，接Si靶的脉冲电源功率80W ；
微波退火晶化过程
与实施例1类似，其区别在于退火温度为900° Co得到的硅量子点的GIXRD测试结果如图3(d)所示。
[0021]实施例5:
与实施例4类似，其区别在于沉积富硅氮化硅薄膜时连接于硅靶上的电源功率为10ffo得到的硅量子点的GIXRD测试结果如图3 (e)所示。
[0022]实施例6:
与实施例4类似，其区别在于沉积富硅氮化硅薄膜时连接于硅靶上的电源功率为120W。得到的硅量子点的GIXRD测试结果如图3(f)所示。
【主权项】
1.一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法，其特征在于以下过程和步骤: 1)选用单晶硅片和石英玻璃片作为衬底，并进行镀膜前预处理； 2)以氩气作为溅射气体，采用射频电源和脉冲电源分别对Si靶和S12(或Si3N4或SiC)靶进行磁控共溅射，沉积富硅硅化物单层薄膜或多层薄膜(如S1xZSi多层薄膜，其中X < 2)； 3)然后在氮气氛或氩气氛下进行微波退火处理，即得到硅量子点薄膜。2.根据权利要求1所述的一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法，其特征在于，所述步骤I)中，单晶娃片衬底的厚度为0.2~lmm，石英片衬底厚度为0.5~lmm，其中单晶娃衬底依次经浓度为5%的氢氟酸腐蚀表面氧化层10~15s，去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15~20min ;石英片依次经去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15?20mino3.根据权利要求1所述的富硅硅化物单层薄膜或多层薄膜的制备方法，其特征是采用磁控共溅射技术。4.根据权利要求1所述的一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法，其特征在于，所述步骤2)中，本底真空3X 10_5~8X 10_5Pa，工作气体氩气的流量为30~50sccm，压强为0.2-0.5Pa，衬底温度300~400° C ;接Si靶的脉冲电源功率80~120W，接Si3N4 (或5丨02或SiC)靶的射频电源功率40~80W。5.根据权利要求1所述的一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用微波退火法，即采用2.45-5.SGHz的微波源对样品进行快速加热，升温速率约为20~50° C/min，达到设定温度后保温一段时间，然后随炉冷却，该退火为惰性气体(氮气或氩气)保护下退火，温度范围在700~900° C，退火时间2~6min。
【专利摘要】本发明涉及一种微波退火制备硅量子点薄膜的方法，具体而言就是将磁控溅射沉积的富硅硅化物薄膜置于微波退火炉中较低温度退火制备出均匀的硅量子点薄膜。该方法采用可靠的磁控共溅射和微波退火技术，可控性好、可重复性高、简易而有效、可操作性强。本发明主要技术方案：首先，利用Ar离子对Si靶、SiO2（或Si3N4或SiC）靶进行磁控共溅射，优化各靶的溅射功率，在单晶硅和石英衬底上沉积富硅硅化物薄膜；然后，采用微波退火设备在氮气氛或氩气氛中700~900℃退火处理，形成硅量子点。和传统的管式炉退火或者快速光热退火生长硅量子点相比，降低了退火温度，工艺简单、成本低。本发明适用于新一代高效太阳电池领域。
【IPC分类】H01L31/0352, H01L31/18
【公开号】CN104952981
【申请号】CN201510394700
【发明人】杨雯, 陈小波, 杨培志, 袁俊宝, 段良飞, 李学铭
【申请人】云南师范大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月7日