Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 2 МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
2.1 Введение
Образование зародышевых центров, микроструктура растущих тонких пленок и, следовательно, их физические свойства зависят от применяемого метода осаждения и параметров этого процесса. Двумерные слои толщиной от нескольких десятых долей нанометра до сотен микрометров могут быть получены с помощью большого количества так называемых тонкопленочных и толстопленочных методов. Толстопленочные методы связаны с осаждением пленок какого-либо вещества из приготовленных на его основе паст или растворов. Оба вида технологических методов обеспечивают получение тонкопленочных материалов с различной микроструктурой и широким диапазоном свойств.
При использовании тонкопленочных солнечных элементов большой площади в наземных условиях учитываются не только-их энергетические характеристики, но и экономические показатели. Это обусловливает необходимость применения методов, как тонкопленочной, так и толстопленочной технологии, которые удовлетворяют таким требованиям, как простота, низкая стоимость, возможность создания однородных пленок большой площади и управления процессом осаждения, а также позволяют получать пленки с определенными структурными, физико-химическими и электрооптическими свойствами. Методы осаждения подробно рассмотрены в литературе [1—6]. В данной главе представлен краткий обзор методов,, которые в наибольшей степени подходят для получения пленок, используемых в солнечных элементах. Особо выделен ряд новых перспективных методов, которые до сих пор не освещались.
Процесс осаждения тонкой пленки состоит из трех этапов:
1) получение вещества в виде атомов, молекул или ионов,.
2) перенос этих частиц через промежуточную среду, 3) конденсация частиц на подложке. В зависимости от того, каким
Методы осаждения тонких пленок
39
способом были получены частицы пара: с использованием физического (термическое испарение или ионное распыление), химического или электрохимического процессов, можно провести следующую классификацию методов осаждения: 1) физическое осаждение из паровой фазы, 2) химическое осаждение из паровой фазы, 3) химическое осаждение из раствора, 4) электрохимическое осаждение. На основе методов физического и химического осаждения из паровой фазы разработаны комбинированные методы, такие, как реактивное испарение, реактивное ионное распыление и плазменное осаждение. В последующих разделах рассматриваются основные принципы и характерные особенности различных методов осаждения тонких пленок.
2.2 Физическое осаждение из паровой фазы
2.2.1 Вакуумное испарение
2.2.1.1 Кинетика процесса
Испарение материала осуществляется при довольно высокой температуре, обеспечивающей необходимое давление паров. Согласно кинетической теории Ленгмюра — Дэшмана, скорость свободного испарения атомов с чистой поверхности единичной площади в вакууме определяется уравнением
jVe = 2,635- Ю20Ре/(МТ)1/2. (2.1)
Здесь Ne — скорость испарения атомов в см~2-с-1; Ре — выраженное в Па равновесное давление пара испаряемого вещества в условиях насыщения при температуре Т\ М — молекулярная масса частиц пара. Преодолев промежуточную среду, атомы пара конденсируются на подложке в виде тонкой пленки. Скорость конденсации или осаждения атомов пара зависит от взаимного расположения испарителя и подложки, а также от коэффициента конденсации при данном физическом состоянии поверхности.
Частицы пара рассеиваются в результате столкновений с молекулами остаточного газа в вакуумной системе. Вероятность рассеяния1) пропорциональна exp (—d/k), где d — расстояние между источником и подложкой, К — средняя длина свободного пробега молекул остаточного газа. Кроме того, молекулы газа соударяются с поверхностью подложки со скоростью, определяемой уравнением (2.1), где, разумеется, параметры Ре и М относятся к молекулам газа, имеющего темпе-
^ По-видимому, авторы имеют в виду долю общего количества молекул газа, которые не претерпевают столкновений на длине пути d. — Прим. перев.
40
Глава 2
Таблица 2.1. Характеристики остаточного воздуха при температуре 25 °С в вакууме, обычно создаваемом при осаждении пленок [2]
Давление, Па Средняя длина свободного пробега между соударениями, см Частота столкновений между молекулами, с-1 Количество молекул, соударяющихся с поверхностью в ед. вр., СМ_2-С“1 Количество мономолекуляр-ных слоев, осаждающихся в течение 1 с^
1,33 0,5 9-104 3,8-1018 4400
1,33-10-2 51 900 3,8-1016 44
1,38-10-3 510 90 3,8-1015 4,4
1,33-10-5 5, Ы04 0,9 3,8-1013 4,4* 10—2
1,33-10-7 5, МО6 9-10"3 3,8-1011 4,4-10—^
^Предполагается, что коэффициент конденсации равен единице.
ратуру Т. Как показывает анализ представленных в табл. 2.1 данных по кинетическим свойствам остаточного воздуха, во избежание значительного загрязнения пленок их осаждение приг
средней скорости роста от 0,1 до 1 нм/с необходимо проводить при давлении, меньшем 10~3 Па. Однако при повышенных температурах коэффициент прилипания атомов остаточного газа резко уменьшается, благодаря чему уже при давлении. ~10-4 Па возможно получение чистых пленок, за исключением случая осаждения легко окисляющихся веществ, когда необходим более высокий вакуум.
