Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Процессы ионного распыления, несмотря на их большую энергоемкость, обеспечивают получение наиболее прочных пленок многокомпонентных материалов любого вида. В течение ряда лет было разработано большое количество вариантов систем ионного распыления, которые отличаются конфигурацией катода, а также способами генерации и переноса ионов. Методы ионного распыления, их характеристики и свойства получаемых пленок подробно обсуждаются в различных книгах и обзорах [1—4]. Рассматриваемые ниже методы представляют особый интересе, поскольку с их помощью можно получать материалы для тонкопленочных солнечных элементов.
2.2.3.1 Ионное распыление в тлеющем разряде
Наиболее простой способ генерации ионов связан с созданием нормального тлеющего разряда при остаточном давлении распыляющего газа (обычно аргона), приблизительно равном;
54
Глава 2
1 Па, и постоянном напряжении от 1 до 3 кВ между катодом (мишенью) и анодом (на котором установлена подложка), удаленными друг от друга на расстояние около 5 см. Толщина d катодного темного пространства (на котором падает основная часть приложенного напряжения) обратно пропорциональна давлению газа р (закон Пашена). В качестве распыляющего газа чаще всего применяют Аг, для которого произведение pd = 40 Па*см. Поскольку более интенсивная генерация ионов при повышении давления газа сопровождается усилением рассеяния распыленных частиц в результате соударений с атомами газа, существует интервал оптимальных давлений 3,3.. .10,0 Па, обеспечивающих эффективное осаждение пленок. Из-за столкновений с атомами газа распыленные частицы, достигающие подложки, имеют неопределенный угол падения и большой разброс по энергиям. Вследствие диффузионного механизма переноса распыленных частиц их осаждение происходит не только на тех участках подложки, которые расположены непосредственно против катода. Анализ пространственного распределения распыленных частиц показывает, что при оптимальных условиях осаждения и при расстоянии между катодом и анодом, приблизительно вдвое превышающем толщину катодного темного пространства, однородная пленка образуется на поверхности, площадь которой, при грубой оценке, составляет примерно половину площади мишени.
Помимо наиболее популярной системы двух плоскопараллельных электродов в определенных случаях могут применяться проволочные, цилиндрические и вогнутые катоды. Кроме того, для одновременного или последовательного осаждения многокомпонентных или многослойных покрытий можно использовать несколько катодов.
Непрерывная бомбардировка осаждаемой пленки нейтральными атомами и отрицательно заряженными ионами аргона, а также атомами реакционноспособных газов, присутствующих в рабочей камере, и электронами приводит к тому, что пленка захватывает большое количество (в зависимости от условий осаждения — до нескольких процентов) атомов газа и примесей. Парциальное давление реакционноспособных газов можно значительно уменьшить при проведении геттерного распыления, когда благодаря геттерирующему действию распыляемого вещества очистка аргона производится до того, как он попадает в ту часть системы, где происходит осаждение пленки. Уменьшению содержания в пленках захваченных атомов газа способствует также понижение рабочего давления тлеющего разряда. Такие условия обеспечивает трехэлектродная система ионного распыления, в которой электроны, испускаемые термокатодом прямого накала и приобретающие дополнительную энергию под действием ускоряющего напряжения, поддержи-
Методы осаждения тонких пленок
5S
вают тлеющий разряд при низких давлениях При наложении магнитного поля, увеличивающего длину пробега электронов при их движении по направлению к аноду, вероятность ионизации атомов аргона электронами повышается. Таким способом достигают высокой скорости осаждения пленки (~0,1... ...1,0 нм/с) при давлении, приблизительно равном 10-2 Па. Захваченные пленкой газы можно удалять, подавая на подложку отрицательный по отношению к аноду потенциал2),. в результате чего пленка в процессе осаждения будет непрерывно бомбардироваться ионами.
2.2.3,2 Магнетронное ионное распыление
Система магнетронного ионного распыления представляет собой устройство, в котором магнитное поле приложено перпендикулярно электрическому. В системе с плоским катодом магнитное поле, направленное параллельно его плоскости, препятствует выходу электронов из прикатодной области, что повышает эффективность ионизации газа и предотвращает бомбардировку осаждаемой пленки электронами. Постоянные магниты размещают за катодом различными способами, но таким образом, чтобы поверхность катода имела по крайней мере одну область, вблизи которой силовые линии магнитного поля были бы направлены параллельно поверхности. Плазма разряда существует только вблизи катода, внутри тороидальной магнитной ловушки, создаваемой магнитным полем, сосредоточенным в узком кольце. Возможность получения поля такой формы и соответствующих траекторий электронов зависит от геометрических параметров и схемы расположения магнитов.
Возмущения в плазме, вызываемые дрейфом электронов в направлении, перпендикулярном как вектору электрического» поля Е, так и вектору магнитной индукции В, можно устранить при использовании цилиндрического катода, когда дрейфовые токи оказываются замкнутыми. Этот принцип положен в основу цилиндрических магнетронных систем. В них приме-няют магнитные зеркала, отражающие электроны, или создают неоднородное магнитное поле. В соответствии с этим возможны самые разнообразные конфигурации цилиндрических магнетронных систем [4].
