[发明专利]一种磁控溅射制备氢化硅碳薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料的制备，特别涉及一种在单晶Si片、石英片和高速钢基体上制备氢化硅碳薄膜的方法，该方法制备的薄膜能带间隙连续可变，可以有效改变薄膜的光电性能。

背景技术

目前已商业化的太阳能电池主要是晶体硅太阳能电池、硅薄膜太阳能电池等硅系列太阳能电池和化合物太阳能电池。但晶体硅太阳能电池和化合物太阳能电池的成本很高，限制了其广泛应用，硅薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题。

硅薄膜太阳能电池材料主要分为非晶硅(a-Si:H)、微晶硅(μc-Si:H)、多晶硅(poly-Si:H)，以及纳米硅薄膜(nc-Si:H)等，其中，非晶硅是直接带隙材料，对阳光的吸收系数较高，只需要1μm厚的薄膜就可以吸收80％的阳光，目前非晶硅薄膜电池的转化效率已超过10％。进一步提高非晶硅薄膜的光电性能可以通过光学能隙宽化的方式，在含氢的非晶硅薄膜制备中掺入碳，可形成非晶的氢化硅碳薄膜(a-SiCx:H)。

a-SiCx:H薄膜是一种硅基宽带隙半导体，其光学能隙可以通过改变薄膜中的碳含量来调整，其具有特殊的电子结构和化学键。这种薄膜已经初步用于太阳能电池、薄膜晶体管、发光二极管、紫外图像传感器、微细超流涂层以及防腐抗氧化涂层等方面。但由于a-SiCx:H薄膜的迁移率偏低，电阻值高，掺杂效率也不够理想，使其应用受到了很大的限制。而纳米晶材料的电导率远高于非晶材料，因此可以通过在非晶网络中引入纳米晶粒来改善材料的电导率等性能，而且可以提高薄膜的掺杂效率。

制备氢化硅碳薄膜的方法主要有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、激光脉冲沉积法(PLD)、分子束外延法(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、热丝化学气相沉积(HFCVD)以及磁控溅射沉积(MS)等，其中，PECVD可以降低等离子体功率密度，减少等离子体中高能粒子对衬底和生成薄膜表面的直接轰击，从而降低生成薄膜的缺陷，而且它属于低温干法制备技术，特别适合大规模生产，不过生产效率还不够高。此外，PECVD与MOCVD方法一样存在大面积沉积薄膜的均匀性不好，易出现鱼鳞状彩色条纹的问题。PLD及MBE可以制备高质量的薄膜，但是薄膜生长速率比PECVD低。

磁控溅射(MS)的特点是沉积速率快，衬底温度低，容易实现大面积成膜等。采用MS制备氢化硅碳薄膜的基本过程是将H₂按一定比例混入Ar中，被Ar⁺从Si靶和C靶上溅射出来的Si原子和C原子，与等离子体中的H或H₂通过化学反应生成活性基团，这些基团进一步反应后在基体表面沉积成氢化硅碳薄膜(SiCx:H)。与PECVD方法相比，等离子体气氛中的氢含量更容易调控。影响SiCx:H薄膜特性的主要工艺参数有：衬底温度、Si靶与C靶的溅射功率、通入气体分压比、衬底与靶材的间距、靶的偏压等。

目前，随着科学技术的发展，SiCx:H薄膜以其优良的热稳定性和化学稳定性、较大热导率、高电子迁移率、高电子饱和漂移速度、高击穿场强、低介电常数等优点，在航空、航天、石油勘探、核能、通信等领域具有广泛的应用前景。但现今国内外通过磁控溅射制备SiCx:H薄膜的方法大多采用SiC合金靶，其制备的薄膜中Si、C化学计量比基本为1∶1，只能通过制备温度的改变来调节薄膜的光电性能，而且范围较小。因此如何寻找一种C含量可变的制备方式对其进一步拓展应用领域显得尤为重要。

发明内容

本发明的任务在于提供一种Si、C化学计量比可变的氢化硅碳合金薄膜的制备方法。该方法制备的氢化硅碳薄膜通过改变薄膜中C的含量来调控薄膜的能隙，进而拓展SiCx:H材料的应用领域。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种磁控溅射制备氢化硅碳薄膜的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将基体预处理后放入磁控溅射镀膜设备真空室中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，同时自转，保证镀膜过程的均匀性；

2)以平面Si靶、C靶作为相应元素的来源，平面Si靶和C靶以对靶的方式安置在炉体内壁上；

3)将真空室的气压抽至10^-4～10^-3Pa，加热基体，使基体温度为200～250℃；

4)真空室通入Ar气并开负偏压对真空室和基体进行轰击清洗；