专利名称：半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种半导体器件技术领域的制备方法，具体地说，是一种半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法。
背景技术：
到目前为止，大部分的纳米硅薄膜是用等离子体增强化学气相PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、热丝化学气相沉积HWCVD(Hot Wire Chemical Vapor Deposition)方法来制备，衬底温度都高于200℃，有的甚至在1000℃以上的高温条件下生成的，这就与使用不耐高温的柔性衬底制备低成本太阳电池的要求成为一对难以调和的矛盾。和不锈钢衬底、晶硅基片太阳电池相比，柔性衬底的太阳电池质量轻，易弯曲，容易实现连续化生产而降低成本，不受面积形状约束使民用化成为可能，韧性好、不易破裂、便于大面积集成和远程输运等优点。正是由于柔性太阳电池有这些优点，使它成为当今半导体光伏器件的研究热点之一，而在低温条件下连续制备优质的硅薄膜成为这一热点的关键。
经对现有技术的文献检索，中国专利公开号CN1032659C，
公开日1996年8月28日，发明名称一种纳米硅薄膜的制备方法，其技术方案如下该发明的目的是利用简便的等离子体化学沉积法(PVCD)制备纳米硅材料，并直接形成纳米硅薄膜。该发明的等离子体化学沉积系统由反应室，抽真空系统抽气口，阴极板，R.F.交流电源，反应气体入口，衬底(兼做阴极)，电炉D.C.直流电源，隔直流电容器，隔射频源电感器，离子探针等组成。利用这种系统制备纳米硅薄膜的步骤如下第一步使用抽真空系统将反应室内的空气抽空，使反应室内的真空度至少要达到2×10-3乇，即达到预真空状态。第二步将安装在衬底电极上的电炉打开，通电加热，使衬底温度Ts，达到280～350℃的范围，并继续抽气，使反应室的真空度继续达到预真空状态。第三步将纯度为99。999％的高纯度氢气通入反应室内，使反应室内真空度保持在1～2乇范围内，稳定后，打开R.F.功率源(交流)，当反应室内出现高频辉光放电呈淡兰色时，氢气在高频等离子体中被分解成[H]原子基，[H]基在高频电场中吸收了能量，而成为具有一定动能的[H]基。这种带有一定动能的[H]基对用于沉积纳米硅薄膜的衬底(如玻璃、石英、单晶硅等)以及反应室壁具有轰击清洁作用，处理时间大20～30分钟。同时这种具有一定动能的[H]基，取决于施加R.F.交流电源功率的大小，一般以两极板间不打火为准。第四步关掉R.F.交流电源及氢气源，使反应室内真空度回复到原来预真空度，稳定后，通入按一定稀释比(C＝SiH4/SiH4+H2＝0.5～2.0％)混合的硅烷气，使反应室内真空度达到1.0～1.5乇左右。第五步上述过程稳定后，重新打开R.F.交流电源并调节到适当的功率(视所要沉积的硅膜的微晶粒的大小而定)，待R.F.辉光稳定后(颜色为淡红色)，打开D.C.电源，选用直流负偏压为200～300V左右。第六步沉积开始并形成纳米硅膜，其沉积速率2nm/分。第七步纳米硅薄膜沉积完后，先关掉R.F.交流电源及D.C.直流电源，再关掉气源，待反应室真空度回复到预真空状态时，关掉衬底电极上的加热电炉的电源；Ts值下降至100℃以下后，方能关闭抽真空系统。该专利采用PECVD法沉积纳米硅薄膜，衬底温度在(280±30)℃，反应气体使用硅烷、氨气、硼烷、磷烷等有毒和易爆气体，而且系统中的硅烷排放不彻底时会产生粉尘附着在管道壁上污染真空系统。而且该系统不能使用分子泵，这就限制了系统所能达到的真空度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，使其在低温的环境下采用物理的沉积方法制备光伏器件级薄膜材料，而且这种方法可以达到较高的真空度，可以长时间连续进行镀膜工作，提高系统的利用率，具有简单方便，成本低廉，实用的特点，能直接制备各种导电类型的纳米硅薄膜。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用物理的方法-即溅射系统来制备光伏器件级纳米硅薄膜，靶材选用硅片，工作气体可以有氢气、氩气无毒且安全的气体，在低温条件下沉积硅薄膜，此外，通过更换不同导电类型的靶材可以获得相应导电类型的纳米硅薄膜，通过调整气体的比例来控制薄膜的晶化度和有序程度。
本发明具体步骤如下
1、将工作室内空气排出，使真空工作室真空度达到10-6乇。
2、将99.999％高纯氩气充入工作室内，使真空工作室内的气压升高到大气压的量级，冲洗真空室。
3、关闭气源，将真空工作室再抽到10-6乇的高真空。
4、再打开冲气源，使真空工作室内充入99.999％高纯氩气和99.999％高纯氢气，保持真空室内的压强为零点几Pa到几个Pa。
5、打开靶和工作台的冷却水，使靶与衬底处于低温100-150摄氏度状态。
6、打开射频功率源，将射频电压加在靶和衬底之间，产生放电，利用氩离子将靶上的硅原子溅射出来，沉积到衬底上，射频电压的大小根据样品晶化度、晶粒尺寸、应力来确定。在其它实验参数相同的情况下，薄膜晶化度降低，薄膜沉积速率相对慢，平均晶粒尺寸减小，应力增大，则射频电压越高(高于1500V)。
7、沉积后，形成薄膜，沉积时间根据样品所要求的厚度、均匀度、应力情况来确定。在其它参数不变的条件下，薄膜越厚，膜内晶粒趋于均匀，应力逐渐减弱，则沉积时间越长。
8、沉积结束，关闭射频电源，关掉气源，关掉高真空阀，再打开放气阀后，即可向工作室内充入大气，待真空室内压力与外部大气压一致时，打开真空室，取出工件。
本发明采用射频溅射的物理方法沉积光伏器件级纳米硅薄膜，靶材采用光伏器件级体硅材料，工作气体主要为氢气和氩气。真空室内的气体(氩气)在正负电极的高压作用下，极间的气体原子将被大量电离，电离后带有正电的氩离子在电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材撞击的过程中释放出能量。离子高速撞击效果之一就是大量的靶材原子获得了相当高的能量，使其可以脱离靶材的束缚而飞向衬底。此外，射频方法可以用来产生溅射效应的另一原因使它可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场起作用的同时，靶材会自动处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射，从而实现在衬底上薄膜的沉积。该溅射沉积系统采用水冷装置，保证系统在低温环境下工作。这种方法，即低温生长半导体薄膜材料正在成为该领域极具潜力的研究方向。
本发明利用射频溅射的物理方法，在低温条件下成功制备了高质量的纳米硅薄膜。通过改变光伏器件级靶材的电阻率，就可以获得相应掺杂浓度的光伏器件级纳米硅薄膜。沉积系统比较安全，可以长时间连续工作，而且真空系统的维护相对简单。此外溅射法沉积硅薄膜技术为在低温条件下制备柔性衬底的光伏器件的开发和应用打下了坚实的基础，这对于生产高性能、低成本的太阳电池具有非常重要的意义。
具体实施例方式
1、使用真空获得系统，排出工作室内的空气，使工作室内的真空度达到1×10-6乇，尽量减少氧及其它气体的污染。
2、将纯度为99.999％的氩气充入工作室内，使真空工作室内的气压升高到接近大气压，冲洗真空室几分钟，达到净化的目的。
3、关闭气源，将真空工作室再抽到1×10-6乇的高真空。
4、再打开冲气源，使真空工作室内充入高纯氩气和氢气，氩气作为气体放电的载体，氢气在硅薄膜的沉积过程中对纳米硅晶粒的晶粒尺度，晶化度以及纳米尺度效应有重要的影响。保持真空室内的压强为0.1Pa。氢气分压根据样品要求而定。
5、打开靶和工作台的冷却水，使靶与衬底处于低温状态。
6、打开射频功率源，调节到150W，将1200V射频电压加在靶和衬底之间，产生放电，氩气在高压电极间被大量电离，利用氩离子将靶上的硅原子溅射出来，沉积到衬底上。通过更换不同导电类型的靶材，可以获得相应导电类型的纳米硅薄膜，如采用p型硅片做靶材，可以获得p型纳米硅薄膜，采用n型硅片做靶材，可以获得n型纳米硅薄膜。即采用物理方法获得不同掺杂浓度的光伏器件级纳米硅薄膜。
7、沉积时间180min.，形成光伏器件级硅薄膜。
8、沉积结束，关闭射频电源，再关掉气源，调整好真空获得系统各阀门的位置后，即可向工作室内充入大气，待真空室内压力与外部大气压一致时，打开真空室，取出工件。
在上述条件下制备的薄膜中纳米硅的平均晶粒尺寸10nm，晶化度40-45％，电导率2×10(Ω·cm)-1。
权利要求
1.一种半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下(1)将真空工作室内空气排出；(2)将高纯氩气充入工作室内，使真空工作室内的气压升高，冲洗真空室；(3)关闭气源，将真空工作室再抽到高真空；(4)再打开冲气源，使真空工作室内充入高纯氩气和高纯氢气，保持真空室内的压强为零点几Pa到几个Pa；(5)打开靶和工作台的冷却水，使靶与衬底处于低温状态；(6)打开射频功率源，将射频电压加在靶和衬底之间，产生放电，利用氩离子将靶上的硅原子溅射出来，沉积到衬底上；(7)沉积后，形成薄膜，沉积时间根据样品所要求的厚度、均匀度、应力情况来确定；(8)沉积结束，关闭射频电源，关掉气源，关掉高真空阀，再打开放气阀后，即可向工作室内充入大气，待真空室内压力与外部大气压一致时，打开真空室，取出工件。
2.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的步骤(1)中的真空工作室，其真空度达到10-6乇。
3.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的高纯氩气，其浓度为99.999％。
4.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的步骤(2)中真空工作室内的气压升高到大气压的量级。
5.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的高真空，其真空度达到10-6乇。
6.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的高纯氢气，其浓度为99.999％。
7.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的低温是指100-150摄氏度。
8.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的射频电压高于1500V。
9.根据权利要求8所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的射频电压，是指在其它实验参数相同的情况下，薄膜晶化度越低，薄膜沉积速率慢，平均晶粒尺寸减小，应力增大，则射频电压越高。
10.根据权利要求1所述的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，其特征是，所述的沉积时间，是指在其它参数不变的条件下，薄膜越厚，膜内晶粒趋于均匀，应力逐渐减弱，则沉积时间越长。
全文摘要
一种属于半导体光伏器件材料制备技术领域的半导体光伏器件级纳米硅薄膜的制备方法，本发明采用物理的方法－即溅射系统来制备光伏器件级纳米硅薄膜，靶材选用硅片，工作气体可以有氢气、氩气无毒且安全的气体，在低温条件下沉积硅薄膜，此外，通过更换不同导电类型的靶材可以获得相应导电类型的纳米硅薄膜，通过调整气体的比例来控制薄膜的晶化度和有序程度。本发明在低温的环境下采用物理的沉积方法制备光伏器件级薄膜材料，而且这种方法可以达到较高的真空度，可以长时间连续进行镀膜工作，提高系统的利用率，具有简单方便，成本低廉，实用的特点，能直接制备各种导电类型的纳米硅薄膜。
文档编号H01L31/18GK1697202SQ200510027059
公开日2005年11月16日 申请日期2005年6月23日 优先权日2005年6月23日
发明者孟凡英, 崔容强, 徐林, 于化丛, 林书铨, 唐敦乙, 周之斌, 赵占霞, 赵百川 申请人:上海交通大学