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(jì).pdf

1、利用太陽(yáng)能電池發(fā)電是解決能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑之一，目前80％以上的太陽(yáng)能電池是由晶體硅材料制備成的，太陽(yáng)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(yáng)能電池的減反射薄膜，由于它在制備過(guò)程中使用硅烷氣體，使得生產(chǎn)過(guò)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(wèn)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(yáng)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(diǎn)。 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(guò)改變?yōu)R射時(shí)間，濺射功率，工作壓強(qiáng)，襯底溫度等沉積條件，制備了一系列的SiC/S

3、iN薄膜。用臺(tái)階儀，紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)，X射線衍射儀(XRD)，原子力顯微鏡(AFM)，橢圓偏振儀等儀器對(duì)薄膜的多種特性進(jìn)行了研究。主要結(jié)果如下： 1) SiC/SiN薄膜表面形貌；用AFM觀測(cè)了薄膜的表面，見(jiàn)圖3.1-3.2，薄膜表面晶粒生長(zhǎng)規(guī)則，粗糙度約為3nm-5nm，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)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(shí)間15min，20min，30min，40min，45min濺射SiC薄膜；30min，45min，60min濺射SiN薄膜[因?yàn)榘械拇笮〔灰粯覵iN靶(Ф60mm)，SiC靶(φ77mm)】;通過(guò)臺(tái)階儀測(cè)量得出SiC濺

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

6、均反射率為3.893％。 B．改變工作壓強(qiáng)0.5pa，1.0pa，1.5pa，2.0pa，2.5pa，3.0pa，分別濺射SiC/SiN薄膜；通過(guò)測(cè)試得出結(jié)論：對(duì)于SiC薄膜最適的工作壓強(qiáng)為2.0pa，而對(duì)于SiN薄膜最適的工作壓強(qiáng)為1.0pa。SiC在壓強(qiáng)2.0pa濺射出的樣品在波長(zhǎng)400nm-800nm內(nèi)的平均反射率為1.204％；而SiN在壓強(qiáng)1.0pa時(shí)得到的樣品在波長(zhǎng)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(guò)測(cè)試得出結(jié)論：對(duì)于SiC薄膜最適的濺射功率為180W，而對(duì)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(zhǎng)400nm-800nm內(nèi)的平均反射率為1.211％；而SiN在功率210W時(shí)得到的樣品在波長(zhǎng)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(dòng)能，對(duì)薄膜生長(zhǎng)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(guò)測(cè)試，薄膜的反射率在襯底溫度為220℃時(shí)都達(dá)到了最適值；在室溫下，SiC薄膜在波長(zhǎng)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(zhǎng)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(dá)到1.812％，降低了9.4％。 4) SiC/SiN薄膜透過(guò)率的比較；用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)試得出不同制備條件下得到的薄膜，透過(guò)率都比較理想，在波長(zhǎng)350nm-850nm整個(gè)波段透過(guò)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(guò)率達(dá)到了最優(yōu)值，在波長(zhǎng)350nm-800nm波段達(dá)到了90％左右。 5) SiC/SiN薄膜折射率的比較；用橢圓偏振儀測(cè)試了

10、薄膜的折射率和消光系數(shù)，SiC薄膜在波長(zhǎng)275nm-1600nm內(nèi)的平均折射率為2.057； SiN薄膜在波長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)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(jìn)氣系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等六個(gè)部分組成。在線連鍍磁控濺射系統(tǒng)由13個(gè)腔室組成，其中重點(diǎn)介紹了加熱室的結(jié)構(gòu)及加熱原理；并對(duì)濺射的靶材結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，得出結(jié)論：使用旋轉(zhuǎn)靶無(wú)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(duì)工作氣體分布進(jìn)行了較為詳細(xì)的討論計(jì)算。首先介紹了不同的進(jìn)氣管道結(jié)構(gòu)，引出計(jì)算管道孔徑的公式，根據(jù)公式計(jì)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