磁控濺射SiC-SiN薄膜用作減反射膜的研究與在線磁控濺射設(shè)備方案設(shè)計.pdf

1、利用太陽能電池發(fā)電是解決能源問題和環(huán)境問題的重要途徑之一，目前80％以上的太陽能電池是由晶體硅材料制備成的，太陽能電池制備工藝中，在硅片上做一層減反射薄膜是很重要的一道工序，它可以很大程度上提高電池的轉(zhuǎn)換效率。目前工業(yè)生產(chǎn)中主要使用等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備氮化硅(SiN)薄膜用做太陽能電池的減反射薄膜，由于它在制備過程中使用硅烷氣體，使得生產(chǎn)過程中存在著安全隱患；而使用磁控濺射的方法就能避免上述問題，并且它可以在低溫條件

2、下制備非晶的SiN薄膜，所以探索使用磁控濺射法制備SiN薄膜就顯得很有必要。 另一方面，磁控濺射碳化硅(SiC)在一定條件下可得到更低反射率，更符合太陽能電池減反射薄膜折射率要求的薄膜，并且它具有抗輻射，抗腐蝕，高硬度等特性，所以SiC成為新一代減反射薄膜的研究熱點。 本文以玻璃和硅片作為襯底，采用射頻磁控濺射SiC/SiN陶瓷靶材的方法，通過改變?yōu)R射時間，濺射功率，工作壓強，襯底溫度等沉積條件，制備了一系列的SiC/S

3、iN薄膜。用臺階儀，紫外-可見光分光光度計，X射線衍射儀(XRD)，原子力顯微鏡(AFM)，橢圓偏振儀等儀器對薄膜的多種特性進行了研究。主要結(jié)果如下： 1) SiC/SiN薄膜表面形貌；用AFM觀測了薄膜的表面，見圖3.1-3.2，薄膜表面晶粒生長規(guī)則，粗糙度約為3nm-5nm，說明在本實驗中使用磁控濺射沉積的薄膜表面平整光滑，并且可以看出SiC薄膜的均勻性和致密度均優(yōu)于SiN薄膜。 2) SiC/SiN薄膜的微觀結(jié)構(gòu)；

4、用XRD表征了薄膜的結(jié)晶情況，見圖3.3-3.4，結(jié)果顯示，薄膜是非晶態(tài)的。 3) SiC/SiN薄膜反射率的比較；用紫外-可見光分光光度計測試得到不同條件制備的薄膜的反射率，結(jié)果如下： A.改變?yōu)R射時間15min，20min，30min，40min，45min濺射SiC薄膜；30min，45min，60min濺射SiN薄膜[因為靶的大小不一樣SiN靶(Ф60mm)，SiC靶(φ77mm)】;通過臺階儀測量得出SiC濺

5、射時間為30min，SiN濺射時間為45min時，得到的薄膜最符合理論上減反射薄膜達到最佳減反射效果計算出的厚度；并且紫外-可見光分光光度計測量結(jié)果也顯示：在此濺射條件下薄膜的光學(xué)性質(zhì)達到了最優(yōu)，濺射SiC靶材時間為30min的樣品在波長400nm-800nm內(nèi)的平均反射率為2.693％，在波長650nm-800nm之間達到最低，僅為1.036％；而SiN樣品在濺射時間為45min時的反射率是最低的，在波長400nm-800nm之間的平

6、均反射率為3.893％。 B．改變工作壓強0.5pa，1.0pa，1.5pa，2.0pa，2.5pa，3.0pa，分別濺射SiC/SiN薄膜；通過測試得出結(jié)論：對于SiC薄膜最適的工作壓強為2.0pa，而對于SiN薄膜最適的工作壓強為1.0pa。SiC在壓強2.0pa濺射出的樣品在波長400nm-800nm內(nèi)的平均反射率為1.204％；而SiN在壓強1.0pa時得到的樣品在波長400nm-800nm之間的平均反射率為2.108

7、％。 C．改變?yōu)R射功率100W，120W，150W，180W，210W，分別濺射SiC/SiN薄膜；通過測試得出結(jié)論：對于SiC薄膜最適的濺射功率為180W，而對于SiN薄膜最適的濺射功率為210W。SiC在功率180W濺射出的樣品在波長400nm-800nm內(nèi)的平均反射率為1.211％；而SiN在功率210W時得到的樣品在波長400nm-800nm之間的平均反射率為2％。分析原因：較高的濺射功率下，濺射出的靶材粒子有比較大的

8、動能，對薄膜生長有利，所以最適的濺射功率分別為180W和210W。 D．改變沉積溫度25℃（室溫），180℃，200℃，220℃，分別濺射得到薄膜；通過測試，薄膜的反射率在襯底溫度為220℃時都達到了最適值；在室溫下，SiC薄膜在波長400nm-800nm之間平均反射率為1.211％，而在220℃濺射條件下，平均反射率為1.078％，降低了10.98％; SiN薄膜，在室溫條件下薄膜在波長400nm-800nm之間平均反射率為

9、2％，而在220℃濺射條件下，平均反射率達到1.812％，降低了9.4％。 4) SiC/SiN薄膜透過率的比較；用紫外-可見光分光光度計測試得出不同制備條件下得到的薄膜，透過率都比較理想，在波長350nm-850nm整個波段透過率基本都在85％左右。其中在功率為210W條件下制備的SiN樣品的透過率達到了最優(yōu)值，在波長350nm-800nm波段達到了90％左右。 5) SiC/SiN薄膜折射率的比較；用橢圓偏振儀測試了

10、薄膜的折射率和消光系數(shù)，SiC薄膜在波長275nm-1600nm內(nèi)的平均折射率為2.057； SiN薄膜在波長275nm-1600nm內(nèi)的平均折射率為1.949，都接近或符合最理想的減反射薄膜的折射率(1.97-2.35)。而消光系數(shù)，SiC和SiN薄膜在波長300nm-1600nm之間消光系數(shù)的平均值分別為0.0746和0.0547，薄膜基本都為透明的。 本文最后介紹了一套在線連鍍磁控濺射設(shè)備設(shè)計方案，濺射系統(tǒng)由真空系統(tǒng)，濺射

11、系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，進氣系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等六個部分組成。在線連鍍磁控濺射系統(tǒng)由13個腔室組成，其中重點介紹了加熱室的結(jié)構(gòu)及加熱原理；并對濺射的靶材結(jié)構(gòu)進行了分析研究，得出結(jié)論：使用旋轉(zhuǎn)靶無論在靶材的利用率還是設(shè)備的保養(yǎng)方面都優(yōu)于平面靶；此外對工作氣體分布進行了較為詳細的討論計算。首先介紹了不同的進氣管道結(jié)構(gòu)，引出計算管道孔徑的公式，根據(jù)公式計算不同情況下孔的分布，得出結(jié)論可以在D=10mm，h=1mm做管道，調(diào)節(jié)Ar氣的流量，得到合