退火温度对磁控溅射Mo薄膜结构和性能的影响

来源:江苏大学材料科学与工程学院作者:邢明立

采用磁控溅射技术在石英基体上制备了厚度为600nm的Mo薄膜,并在不同温度下(400~900℃)对其进行退火处理。通过XRD、SEM、四探针测试仪对Mo薄膜的结构和性能进行了分析。结果表明,随着退火温度的升高,(110)晶面择优取向特性增强。Mo薄膜在退火温度为800℃时电阻率达到最小值3.56×10-5Ω·cm,在900℃退火时薄膜出现宽度约为50nm的微裂纹且薄膜电阻率较大。

铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)多元化合物太阳能电池以其较高的光电转化效率、低廉的成本成为薄膜太阳能电池研究的热点。这两种化合物薄膜太阳能电池结构单元中与光吸收层直接接触的背电极材料,要求具有高的热稳定性和机械强度以及低的电阻率和扩散率。金属Mo具有以上特性,被作为化合物薄膜太阳能电池常用的背电极材料。目前,文献报道的Mo薄膜的制备方法主要有化学气相沉积(CVD)、机械研磨、脉冲激光法(PLD)、物理气相沉积(PVD)和溅射镀膜等。溅射镀膜由于具有与基片良好的结合性、纯度高、致密性好、工艺可重复性好、膜厚可控制,且可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜等优点,因而得到了广泛应用。

磁控溅射时高能量的粒子轰击固体靶材表面使其中的原子发射出来,溅射出来的粒子具有较高的能量和速率,在基底上经历从气相到吸附相,再到凝结相的一个相变过程。在此过程中大量原子经过吸附、脱附和表面扩散、迁移、碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸附使晶核长大成岛状,最后小岛长大后互相联结聚集形成连续薄膜。由此过程形成的薄膜中含有大量空位、气孔等缺陷。薄膜的缺陷对其微观结构有很大的影响,退火处理可以降低缺陷浓度,进而改变薄膜的微观结构。

目前,磁控溅射Mo薄膜的研究主要集中在工艺参数对薄膜结构和性能的影响,镀膜后热处理工艺参数对Mo薄膜结构和性能影响的报道较少。本文采用直流脉冲磁控溅射方法在石英基底上制备了厚度约为600nm的Mo薄膜,研究了退火温度对Mo薄膜组织结构、表面形貌以及电学性能的影响。

1、试验方法

在FJL600E1高真空多功能离子束溅射与磁控镀膜装置上,利用直流磁控溅射方法在石英基底上制备Mo薄膜。基底依次在超声波清洗机中使用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗20min,取出后迅速用氮气吹干,放入溅射室。磁控溅射系统本底真空度为1.0×10-5Pa,溅射气体为纯度99.99%的Ar气,溅射气压为0.8Pa。Mo靶纯度为99.95%,尺寸为50mm×5mm。试验前进行10min预溅射以除去靶材表面氧化物及杂质。试验时首先采用120W大功率溅射5min,然后以80W的功率制备厚度约为600nm的薄膜。

制备的薄膜在ZT-12-11型带视窗真空/可控气氛加热炉中进行退火,先将加热炉抽真空至5×10-3Pa,再向加热炉内通高纯氮气至8.0×104Pa,加热前重复上述操作一次。薄膜退火温度分别为400、500、600、700、800、900℃,加热炉升温速率为2℃/min,各退火温度的保温时间均为2h。

薄膜电阻率使用RTS-8型四探针测试系统进行测试计算;薄膜表面形貌使用JSM-7001F型扫描电子显微镜(SEM)检测;薄膜的结构使用D8ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)进行表征,CuKα靶,扫描角度2θ为10°~90°,扫描步长0.02°,时间常数0.4s。

结论

1)随着退火温度的升高,Mo薄膜(110)晶面择优取向增强,晶体的有序化程度增大,薄膜的结晶程度得到提高。

2)随着退火温度的升高,薄膜晶粒逐渐聚集长大,尺寸明显增大,退火温度达到900℃时出现微裂纹,宽度约为50nm。

3)在400~900℃退火时,Mo薄膜的电阻率随着退火温度的升高而降低,在800℃退火时Mo薄膜电阻率达到最小值3.56×10-5Ω·cm,且薄膜更加致密。

4)Mo薄膜合理的退火工艺为800℃保温2h,升温速率2℃/min。