[发明专利]Cu(In，Ga)X2的薄膜的阴极溅射沉积

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于沉积分子式为Cu(In，Ga)X₂的半导体材料膜的方法和设备，其中X为S或Se。

背景技术

下文称为(CIGX)的半导体材料Cu(In，Ga)Se₂或Cu(In，Ga)S₂的膜，特别是薄膜，用于制备低成本高效率的光电电池，因为涉及到的方法容易应用于在具有1m²或更大面积的大表面积衬底上沉积的情况。

人们已知形成CIGX的薄膜，特别是CIGSe的薄膜的各种方法。

这些方法之一是阴极溅射方法，该方法包括在两个不同的单元中进行的两个步骤；

第一步以阴极溅射沉积包含金属前体(Cu，In和Ga)的薄膜为主要部分，第二步由通过在包含Se或S的气氛中(硒或硫蒸汽、H₂Se或H₂S气体等形式)退火，硒化或硫化所述金属的膜组成，以形成期望的化合物。

这种方法描述在Ermer等的美国专利US4798660(1989)中。

为了缩短该方法的持续时间并降低投资成本，Thornton等的专利US5439575(1995)提出了通过单步阴极溅射技术形成CIGSe的薄膜。

在该方法中，金属元素(Cu，In和Ga)通过阴极溅射提供在衬底上，而Se以Se蒸汽的形式到达衬底，该Se蒸汽蒸发自位于相同的阴极溅射腔室内的坩埚本身。

在沉积期间衬底必须加热。

通过这种方法制备的CIGSe的薄膜用于制备能效高于10％的光电电池(Nakada et al.，Jpn.J.Appl.Phys.34，4715(1995)，Nakada等，日本应用物理期刊，34，4715(1995))。

在组合了阴极溅射和蒸发的混合方法中，硒以蒸发自坩埚的硒蒸汽形式提供。

然而，从坩埚蒸发会引起以较宽的角度分布导入蒸汽流，且众所周知到达加热衬底的过量的硒会再度蒸发。

因此，腔室完全充满了硒蒸气，硒蒸气非常容易地在任何未加热的表面上凝结。硫也具有相同的问题。

换句话说，硒或硫不期望的沉积既会出现在溅射靶上，也会出现在腔室所有的冷壁上，出现在溅射靶上使难以控制溅射速率以及沉积速度，出现在腔室所有的冷壁上需要频繁的设备维护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术方法的缺点，提出了一种通过单步阴极溅射技术形成CIGX的膜，特别是CIGX的薄膜的方法和设备，其中X为Se或S，但其中硒或硫不会或较少地沉积在阴极溅射腔室的冷壁上。

为此，本发明提出了一种用于将Cu(In，Ga)X₂的膜沉积在衬底的至少一个表面上的设备，其中X为Se或S或其混合物，包括阴极溅射腔室，所述设备包括：

-衬底保持架，

-用于加热衬底保持架的装置，

-至少一个溅射靶保持架，

衬底保持架设置在至少一个溅射靶保持架的对面并与至少一个溅射靶保持架分隔开，

-第一注入管3，其用于注入包含蒸汽形式的X或X的前体的第一惰性气体层流，

其特征在于，所述设备进一步包括用于注入第二惰性气体层流的第二注入管，第二注入管在阴极溅射腔室内的入口孔位于第一注入管在阴极溅射腔室内的入口孔和至少一个靶保持架之间，使得经由第二注入管的入口孔进入的第二惰性气体层流平行于包含蒸汽形式的X或X的前体的第一惰性气体层流，并将包含蒸汽形式的X或X的前体的第一惰性气体层流限制在衬底保持架周围的区域。

在第一优选实施方式中，本发明的设备进一步包括封壳，该封壳包括用于蒸发X的装置，该封壳与第一注入管以及阴极溅射腔室流体连通。

在第二优选实施方式中，本发明的设备包括封壳，该封壳包括形成用于分解和蒸发X的前体的等离子体的装置，该封壳与第一注入管以及阴极溅射腔室流体连通。

在所有实施方式中，阴极溅射腔室进一步包括并优选包括栅格，该栅格可选地装配有冷却装置，该栅格沿着平行于衬底保持架的阴极溅射腔室的整个长度，并且在第一注入管的入口孔和第二注入管的孔之间延伸。

在特定的实施方式中，本发明的设备包括彼此紧靠定位的两个溅射靶。

然而，本发明的设备也可包括彼此紧靠定位的三个溅射靶。