專利名稱：一種磁控濺射制備氫化硅碳薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及薄膜材料的制備，特別涉及一種在單晶Si片、石英片和高速
鋼基體上制備氫化硅碳薄膜的方法，該方法制備的薄膜能帶間隙連續(xù)可變， 可以有效改變薄膜的光電性能。
背景技術：
目前已商業(yè)化的太陽能電池主要是晶體硅太陽能電池、硅薄膜太陽能電 池等硅系列太陽能電池和化合物太陽能電池。但晶體硅太陽能電池和化合物 太陽能電池的成本很高，限制了其廣泛應用，硅薄膜電池在很大程度上解決 了太陽能電池的成本問題。
硅薄膜太陽能電池材料主要分為非晶硅(a-Si:H)、微晶硅0ic-Si:H)、 多晶硅(poly-Si:H)，以及納米硅薄膜(nc-Si:H)等，其中，非晶硅是直接 帶隙材料，對陽光的吸收系數(shù)較高，只需要lPm厚的薄膜就可以吸收8(F。的 陽光，目前非晶硅薄膜電池的轉化效率已超過10%。進一步提高非晶硅薄膜 的光電性能可以通過光學能隙寬化的方式，在含氫的非晶硅薄膜制備中摻入 碳，可形成非晶的氫化硅碳薄膜(a-SiCx: H)。
a-SiCx: H薄膜是一種硅基寬帶隙半導體，其光學能隙可以通過改變薄 膜中的碳含量來調整，其具有特殊的電子結構和化學鍵。這種薄膜已經初步 用于太陽能電池、薄膜晶體管、發(fā)光二極管、紫外圖像傳感器、微細超流涂 層以及防腐抗氧化涂層等方面。但由于a-SiCx: H薄膜的遷移率偏低，電阻 值高，摻雜效率也不夠理想，使其應用受到了很大的限制。而納米晶材料的 電導率遠高于非晶材料，因此可以通過在非晶網絡中引入納米晶粒來改善材 料的電導率等性能，而且可以提高薄膜的摻雜效率。制備氫化硅碳薄膜的方法主要有等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、 激光脈沖沉積法(PLD)、分子束外延法(MBE)、金屬有機物化學氣相沉積 (M0CVD)、熱絲化學氣相沉積(HFCVD)以及磁控濺射沉積(MS)等，其中， PECVD可以降低等離子體功率密度，減少等離子體中高能粒子對襯底和生成 薄膜表面的直接轟擊，從而降低生成薄膜的缺陷，而且它屬于低溫干法制備 技術，特別適合大規(guī)模生產，不過生產效率還不夠高。此外，PECVD與MOCVD 方法一樣存在大面積沉積薄膜的均勻性不好，易出現(xiàn)魚鱗狀彩色條紋的問題。 PLD及MBE可以制備高質量的薄膜，但是薄膜生長速率比PECVD低。
磁控濺射(MS)的特點是沉積速率快，襯底溫度低，容易實現(xiàn)大面積成 膜等。采用MS制備氫化硅碳薄膜的基本過程是將H2按一定比例混入Ar中，被 Ar+從Si耙和C靶上濺射出來的Si原子和C原子，與等離子體中的H或H2通過化 學反應生成活性基團，這些基團進一步反應后在基體表面沉積成氫化硅碳薄 膜(SiCx: H)。與PECVD方法相比，等離子體氣氛中的氫含量更容易調控。 影響SiCx: H薄膜特性的主要工藝參數(shù)有襯底溫度、Si靶與C靶的濺射功率、 通入氣體分壓比、襯底與靶材的間距、靶的偏壓等。
目前，隨著科學技術的發(fā)展，SiCx: H薄膜以其優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學 穩(wěn)定性、較大熱導率、高電子遷移率、高電子飽和漂移速度、高擊穿場強、 低介電常數(shù)等優(yōu)點，在航空、航天、石油勘探、核能、通信等領域具有廣泛 的應用前景。但現(xiàn)今國內外通過磁控濺射制備SiCx:H薄膜的方法大多采用SiC
合金耙，其制備的薄膜中Si、 C化學計量比基本為l: 1，只能通過制備溫度的
改變來調節(jié)薄膜的光電性能，而且范圍較小。因此如何尋找一種c含量可變的
制備方式對其進一步拓展應用領域顯得尤為重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務在于提供一種Si、 C化學計量比可變的氫化硅碳合金薄膜 的制備方法。該方法制備的氫化硅碳薄膜通過改變薄膜中C的含量來調控薄 膜的能隙，進而拓展SiCx: H材料的應用領域。
為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的
4一種磁控濺射制備氫化硅碳薄膜的方法，其特征在于，包括下列步驟
1) 將基體預處理后放入磁控濺射鍍膜設備真空室中的轉架桿上，該轉架 桿隨轉架臺轉動，同時自轉，保證鍍膜過程的均勻性；
2) 以平面Si靶、C靶作為相應元素的來源，平面Si靶和C耙以對耙的 方式安置在爐體內壁上；
3) 將真空室的氣壓抽至l(T4~l(T3Pa，加熱基體，使基體溫度為200 250
。C;
4) 真空室通入Ar氣并開負偏壓對真空室和基體進行轟擊清洗；
5) 關閉Ar氣，將真空室的氣壓再次抽至l(T4~l(r3Pa，接著同時通入Ar 氣和H2氣，H2氣與Ar氣流量比為1:3~1: 6，當真空室氣壓上升至0. 3 0. 6Pa， 調整負偏壓到-100V,打開Si靶和C靶的控制電源，將Si耙的電源功率調至 4kW， C靶的電源功率調至0. 5~8kW，沉積時間為60~120min，得到氫化硅碳 薄膜。
上述方案中，所述基體包括單晶Si片、石英片和高速鋼片。
所述在單晶硅片和石英片上所沉積的氫化硅碳薄膜可以在真空爐內 IOO(TC退火，退火時間為30min。
所述步驟4)中，通入Ar氣的流量為16 24sccm，當真空室氣壓達到4 8Pa 并保持該氣壓，開負偏壓至-800V~-1000V，對真空室和基體進行轟擊清洗， 持續(xù)20 40min。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下特點
1、 磁控濺射方法制備的SiCx: H薄膜沉積在單晶Si片、石英片和高速 鋼上，可用于有源矩陣液晶顯示器的電子器件、太陽能電池、光敏晶體管、 發(fā)光二極管和傳感器等。
2、 薄膜沉積效率比較高，當C (石墨)靶材功率在0.5 8KW之間，薄膜 的生長速率約在8 18nm/min。薄膜表面平整，致密度較高。
3、 通過調節(jié)C靶的功率可以調節(jié)SiCx中Si、 C的化學計量比x在 0. 15~2. 45之間變化，薄膜中組分易于控制。
4、 采用磁控濺射方法制備的SiCx: H薄膜均勻性好，通過C含量的變化，使得光學帶隙在2. 0~2. 8eV之間連續(xù)可變，且電導率比較高。
以下結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。


圖1為本發(fā)明磁控濺射鍍膜設備結構示意圖。圖中1、真空室；2、
轉臺架；3、偏壓；4、轉架桿；5、平面Si靶和平面C靶；6、永磁體;
7、加熱器；8、抽真空泵組。
圖2為實施例1的氫化硅碳薄膜表面形貌。
圖3為實施例1的氫化硅碳薄膜縱截面的掃描電鏡微觀結構形貌。
具體實施例方式
本發(fā)明采用磁控濺射技術制備氫化硅碳薄膜，包括下述步驟-
(1) 對高速鋼基體樣品經消磁處理、表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲 波清洗，酒精脫水；對單晶Si片、石英片浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水。 然后把所有樣品烘干；
(2) 將預處理好的樣品作為基體材料放入磁控濺射鍍膜設備的真空室1 中。樣品置于轉架桿4上，轉架桿4可以隨轉臺架2轉動，也可以自轉，這 樣就避免了薄膜只能單面鍍以及鍍膜不均的問題，保證了鍍膜過程的均勻性;
(3) 靶材采用尺寸為435X95X10咖的平面Si靶和435X95X10咖的 平面C靶作為相應元素的來源，如圖1所示，采用平面對靶的方式將平面Si 耙和C耙5安置在爐體內壁上，并通過調整中頻脈沖電源的功率控制上述平 面Si耙和C耙的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光 放電過程；采用高純H2作為反應氣體，使其離化并與各靶中的Si、 C元素結 合，在基體表面沉積形成SiCx: H薄膜。
實施例1
將真空室的氣壓抽至6X10，a，加熱單晶Si片，使其溫度為25(TC;鍍 膜前，通入20sccm的Ar到爐內真空室l，當真空室氣壓達到6Pa并保持氣 壓穩(wěn)定于6Pa時，開偏壓3至-1000V對真空室和基體進行轟擊清洗，持續(xù)30min;
基板清洗后，關閉Ar，將反應室真空再次抽至6Xl(T3Pa，通入20sccm 的Ar，同時通入H2氣，調節(jié)&: Ar流量比為h 4，真空室氣壓調至0.4Pa， 調整偏壓到-IOOV，打開Si靶和C靶的控制電源，將Si靶的電源功率調至 4kW;把C耙的功率設定在4KW，沉積時間120min;將生長的薄膜放置在真空 爐中IOOO"C退火，退火時間為30min。通過此方法可以提高薄膜中SiCx的晶 化率，進而提高薄膜的光電性能。 實施例2
將真空室的氣壓抽至8Xl{T4Pa，加熱石英片，使其溫度為24(TC;鍍膜 前，通入16sccm的Ar到爐內真空室l，當真空室氣壓達到4Pa并保持氣壓 穩(wěn)定于4Pa時，開偏壓3至-800V對真空室和基體進行轟擊清洗，持續(xù)40min;
基板清洗后，關閉Ar，將反應室真空再次抽至8Xl(T4Pa，通入16sccm 的Ar，同時通入H2氣，調節(jié)4: Ar流量比為l: 3，真空室氣壓調至0.3Pa， 調整偏壓到-100V，打開Si靶和C耙的控制電源，將Si靶的電源功率調至 4kW;把C耙的功率設定在8KW，沉積時間60min;將生長的薄膜放置在真空 爐中IOO(TC退火，退火時間為30min。 實施例3
將真空室的氣壓抽至5Xl(T3Pa，加熱高速鋼片，使其溫度為200°C;鍍 膜前，通入24sccm的Ar到爐內真空室1，當真空室氣壓達到8Pa并保持氣 壓穩(wěn)定于8Pa時，開偏壓3至-900V對真空室和基體進行轟擊清洗，持續(xù) 20min;
基板清洗后，關閉Ar，將反應室真空再次抽至5X10，a,通入24sccm 的Ar，同時通入H2氣，調節(jié)&: Ar流量比為l: 6，真空室氣壓調至0.6Pa， 調整偏壓到-100V，打開Si耙和C耙的控制電源，將Si耙的電源功率調至 4kW;把C靶的功率設定在0.5KW，沉積時間90min。
如圖2所示，按照實施例1制備的氫化硅碳薄膜表面為團簇形式，薄膜 均勻，且致密性很好。
如圖3所示，上方為硅基體，中間為硅碳薄膜。經過測量，薄膜厚度為1. 34um，說明按照實施例1制備的薄膜沉積速率約為11nm/min。
采用本發(fā)明方法，可獲得具有納米晶和非晶復合結構的氫化硅碳薄膜。 當C耙功率為O. 5KW時，x二O. 15，當C耙功率為8KW時，x=2. 45， C耙功率在 0. 5 8KW之間變化時，x在O. 15 2.45之間變化。光學能隙在2. 0~2. 8eV之間連 續(xù)可變。
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權利要求
1.一種磁控濺射制備氫化硅碳薄膜的方法，其特征在于，包括下列步驟1)將基體預處理后放入磁控濺射鍍膜設備真空室中的轉架桿上，該轉架桿隨轉架臺轉動，同時自轉，保證鍍膜過程的均勻性；2)以平面Si靶、C靶作為相應元素的來源，平面Si靶和C靶以對靶的方式安置在爐體內壁上；3)將真空室的氣壓抽至10-4～10-3Pa，加熱基體，使基體溫度為200～250℃；4)真空室通入Ar氣并開負偏壓對真空室和基體進行轟擊清洗；5)關閉Ar氣，將真空室的氣壓再次抽至10-4～10-3Pa，接著同時通入Ar氣和H2氣，H2氣與Ar氣流量比為1∶3～1∶6，當真空室氣壓上升至0.3～0.6Pa，調整負偏壓到-100V，打開Si靶和C靶的控制電源，將Si靶的電源功率調至4kW，C靶的電源功率調至0.5～8kW，沉積時間為60～120min，得到氫化硅碳薄膜。
2、 如權利要求1所述的磁控濺射制備氫化硅碳薄膜的方法，其特征在 于，所述基體包括單晶Si片、石英片和高速鋼片。
3、 如權利要求1所述的磁控濺射制備氫化硅碳薄膜的方法，其特征在 于，所述步驟5)結束后，將沉積有氫化硅碳薄膜的單晶硅片或石英片在真 空爐內IOO(TC退火，退火時間為30min。
4、 如權利要求1所述的磁控濺射制備氫化硅碳薄膜的方法，其特征在 于，所述步驟4)中，通入Ar氣的流量為16 24sccm，當真空室氣壓達到4 8Pa 時保持該氣壓，開負偏壓至-800V~-1000V，對真空室和基體進行轟擊清洗， 持續(xù)20 40min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁控濺射制備氫化硅碳薄膜的方法，將基體預處理后放入磁控濺射鍍膜設備中，以平面Si靶和C靶作為相應元素的來源，Si靶、C靶以對靶的方式安置在爐體內壁上，通過調整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純Ar作為離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純H₂作為反應氣體，使其離化并與Si、C元素結合，在基體表面沉積形成氫化硅碳薄膜，通過摻入C含量的變化，改變Si、C的化學計量比，進而改變薄膜的光電性能。本發(fā)明制備的氫化硅碳薄膜可在太陽能電池、薄膜晶體管、發(fā)光二極管、紫外圖像傳感器、微細超流涂層以及防腐抗氧化涂層等方面得到廣泛應用。
文檔編號C23C14/35GK101660132SQ200910024118
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權日2009年9月28日
發(fā)明者張旭東, 馬勝利 申請人:西安交通大學