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磁控溅射SiC/SiN薄膜用作减反射膜的研究与在线磁控溅射设备方案设计

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声明

第一章绪论

1.1太阳能电池发展现状与未来发展趋势

1.2减反射薄膜的研究状况

1.3本论文研究内容

第二章基本理论知识

2.1太阳能电池介绍

2.1.1太阳电池基本原理

2.1.2太阳电池的分类及生产流程介绍

2.2减反射薄膜的特征

2.2.1减反射薄膜的原理

2.2.2减反射薄膜的制备方法

2.3磁控溅射镀膜技术

2.3.1磁控溅射镀膜基本原理

2.3.2实验用磁控溅射设备介绍

2.4薄膜表征测试技术

2.4.1台阶仪

2.4.2紫外-可见光分光光度计

2.4.3椭圆偏振光谱仪

2.4.4原子力显微镜(AFM)

2.4.5 X射线衍射分析(XRD)

第三章磁控溅射SiC/SiN薄膜特性的研究

3.1 SiC/SiN薄膜介绍

3.2 SiC/SiN薄膜的制备

3.2.1衬底处理

3.2.2薄膜制备

3.3 SiC/SiN薄膜性质比较

3.3.1 SiC/SiN薄膜表面形貌

3.3.2 SiC/SiN薄膜的结构

3.3.3 SiC/SiN薄膜反射率的比较

3.3.4 SiC/SiN薄膜透过率的比较

3.3.5 SiC/SiN薄膜折射率的比较

3.4本章小结

第四章在线连镀磁控溅射设备方案设计

4.1真空知识介绍

4.2工业用磁控溅射设备方案设计

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1取得的主要成果

5.2存在的问题与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

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摘要

利用太阳能电池发电是解决能源问题和环境问题的重要途径之一,目前80%以上的太阳能电池是由晶体硅材料制备成的,太阳能电池制备工艺中,在硅片上做一层减反射薄膜是很重要的一道工序,它可以很大程度上提高电池的转换效率。目前工业生产中主要使用等离子体化学气相沉积法(PECVD)制备氮化硅(SiN)薄膜用做太阳能电池的减反射薄膜,由于它在制备过程中使用硅烷气体,使得生产过程中存在着安全隐患;而使用磁控溅射的方法就能避免上述问题,并且它可以在低温条件下制备非晶的SiN薄膜,所以探索使用磁控溅射法制备SiN薄膜就显得很有必要。 另一方面,磁控溅射碳化硅(SiC)在一定条件下可得到更低反射率,更符合太阳能电池减反射薄膜折射率要求的薄膜,并且它具有抗辐射,抗腐蚀,高硬度等特性,所以SiC成为新一代减反射薄膜的研究热点。 本文以玻璃和硅片作为衬底,采用射频磁控溅射SiC/SiN陶瓷靶材的方法,通过改变溅射时间,溅射功率,工作压强,衬底温度等沉积条件,制备了一系列的SiC/SiN薄膜。用台阶仪,紫外-可见光分光光度计,X射线衍射仪(XRD),原子力显微镜(AFM),椭圆偏振仪等仪器对薄膜的多种特性进行了研究。主要结果如下: 1) SiC/SiN薄膜表面形貌;用AFM观测了薄膜的表面,见图3.1-3.2,薄膜表面晶粒生长规则,粗糙度约为3nm-5nm,说明在本实验中使用磁控溅射沉积的薄膜表面平整光滑,并且可以看出SiC薄膜的均匀性和致密度均优于SiN薄膜。 2) SiC/SiN薄膜的微观结构;用XRD表征了薄膜的结晶情况,见图3.3-3.4,结果显示,薄膜是非晶态的。 3) SiC/SiN薄膜反射率的比较;用紫外-可见光分光光度计测试得到不同条件制备的薄膜的反射率,结果如下: A.改变溅射时间15min,20min,30min,40min,45min溅射SiC薄膜;30min,45min,60min溅射SiN薄膜[因为靶的大小不一样SiN靶(Ф60mm),SiC靶(φ77mm)】;通过台阶仪测量得出SiC溅射时间为30min,SiN溅射时间为45min时,得到的薄膜最符合理论上减反射薄膜达到最佳减反射效果计算出的厚度;并且紫外-可见光分光光度计测量结果也显示:在此溅射条件下薄膜的光学性质达到了最优,溅射SiC靶材时间为30min的样品在波长400nm-800nm内的平均反射率为2.693%,在波长650nm-800nm之间达到最低,仅为1.036%;而SiN样品在溅射时间为45min时的反射率是最低的,在波长400nm-800nm之间的平均反射率为3.893%。 B.改变工作压强0.5pa,1.0pa,1.5pa,2.0pa,2.5pa,3.0pa,分别溅射SiC/SiN薄膜;通过测试得出结论:对于SiC薄膜最适的工作压强为2.0pa,而对于SiN薄膜最适的工作压强为1.0pa。SiC在压强2.0pa溅射出的样品在波长400nm-800nm内的平均反射率为1.204%;而SiN在压强1.0pa时得到的样品在波长400nm-800nm之间的平均反射率为2.108%。 C.改变溅射功率100W,120W,150W,180W,210W,分别溅射SiC/SiN薄膜;通过测试得出结论:对于SiC薄膜最适的溅射功率为180W,而对于SiN薄膜最适的溅射功率为210W。SiC在功率180W溅射出的样品在波长400nm-800nm内的平均反射率为1.211%;而SiN在功率210W时得到的样品在波长400nm-800nm之间的平均反射率为2%。分析原因:较高的溅射功率下,溅射出的靶材粒子有比较大的动能,对薄膜生长有利,所以最适的溅射功率分别为180W和210W。 D.改变沉积温度25℃(室温),180℃,200℃,220℃,分别溅射得到薄膜;通过测试,薄膜的反射率在衬底温度为220℃时都达到了最适值;在室温下,SiC薄膜在波长400nm-800nm之间平均反射率为1.211%,而在220℃溅射条件下,平均反射率为1.078%,降低了10.98%; SiN薄膜,在室温条件下薄膜在波长400nm-800nm之间平均反射率为2%,而在220℃溅射条件下,平均反射率达到1.812%,降低了9.4%。 4) SiC/SiN薄膜透过率的比较;用紫外-可见光分光光度计测试得出不同制备条件下得到的薄膜,透过率都比较理想,在波长350nm-850nm整个波段透过率基本都在85%左右。其中在功率为210W条件下制备的SiN样品的透过率达到了最优值,在波长350nm-800nm波段达到了90%左右。 5) SiC/SiN薄膜折射率的比较;用椭圆偏振仪测试了薄膜的折射率和消光系数,SiC薄膜在波长275nm-1600nm内的平均折射率为2.057; SiN薄膜在波长275nm-1600nm内的平均折射率为1.949,都接近或符合最理想的减反射薄膜的折射率(1.97-2.35)。而消光系数,SiC和SiN薄膜在波长300nm-1600nm之间消光系数的平均值分别为0.0746和0.0547,薄膜基本都为透明的。 本文最后介绍了一套在线连镀磁控溅射设备设计方案,溅射系统由真空系统,溅射系统,加热系统,进气系统,传动系统,控制系统等六个部分组成。在线连镀磁控溅射系统由13个腔室组成,其中重点介绍了加热室的结构及加热原理;并对溅射的靶材结构进行了分析研究,得出结论:使用旋转靶无论在靶材的利用率还是设备的保养方面都优于平面靶;此外对工作气体分布进行了较为详细的讨论计算。首先介绍了不同的进气管道结构,引出计算管道孔径的公式,根据公式计算不同情况下孔的分布,得出结论可以在D=10mm,h=1mm做管道,调节Ar气的流量,得到合适的工艺参数,镀出均匀的薄膜;最后简单介绍了薄膜的在线监测,冷却系统,报警系统,主轴传动,旋转阀等结构。

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