一种调节含氢非晶碳薄膜带隙宽度的方法与流程

1.本发明涉及半导体材料技术领域，更具体地说，它涉及一种调节含氢非晶碳薄膜带隙宽度的方法。


背景技术：

2.含氢非晶碳薄膜（a-c:h）是一种应用很广泛的薄膜材料，该材料的物理及化学性质如机械硬度、透明度、热导率、摩擦系数等可以在很大范围内调控，因此可作为摩擦保护层、辐射保护层等应用于诸多领域。同时非晶碳薄膜也可应用于半导体光伏领域，如作为表面抗反射层或者作为光伏电池的吸收层材料。非晶碳薄膜作为光伏电池吸收层材料具有材料成本低，带隙可调等优点，因此具有很大的应用潜力。
3.目前利用磁控溅射法制备含氢非晶碳薄膜，调节含氢非晶碳薄膜带隙宽度的方法包括调节磁控溅射功率和改变衬底温度等，然而这些方法对于非晶碳薄膜的其它特性例如电学性能及表面形貌的影响较大。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够较大程度改变光学带隙，同时对于非晶碳薄膜的其它性能影响较小，能够有选择性的调节非晶碳薄膜光学带隙的方法。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种调节含氢非晶碳薄膜带隙宽度的方法，采用射频磁控溅射方法在透明玻璃上制备非晶碳薄膜,包括以下步骤：s1:将透明玻璃衬底固定在磁控溅射系统的石墨加热衬底上，进行预加热；s2:对溅射系统腔室抽真空；s3:通入氩气至溅射系统腔室内作为等离子体的工作气体；s4:对溅射系统腔室中通入氮气分压为一定比例的甲烷与氮气混合气作为含氢非晶碳薄膜的反应气体源；s5:开启射频电源，调节溅射系统腔室内压强，实现辉光放电，进行含氢非晶碳薄膜沉积；s6:通过对s4中的氮气分压进行调节，使氮气分压在0%-9%范围内变化，实现含氢非晶碳薄膜带隙宽度的在1.0~2.0ev范围内变化。
6.作为本发明进一步的方案：s5中所述非晶碳薄膜沉积在透明玻璃衬底表面，所述非晶碳薄膜的厚度为1000~2000nm。
7.作为本发明进一步的方案：s1中所述透明玻璃衬底的预加热温度为200℃。
8.作为本发明进一步的方案：非晶碳薄膜沉积时的透明玻璃衬底的温度为200℃。
9.作为本发明进一步的方案：所述非晶碳薄膜的制备采用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材。
10.作为本发明进一步的方案：s2中所述溅射系统腔室的真空度为10-5
pa量级。
11.作为本发明进一步的方案：s3中所述氩气的流量为1-10sccm。
12.作为本发明进一步的方案：s4中所述甲烷通入溅射系统腔室的流量为1-10sccm，所述氮气通入溅射系统腔室的流量为1-10sccm。
13.作为本发明进一步的方案：s5中所述溅射系统腔室内的压强为0.7pa。
14.作为本发明进一步的方案：s5中所述射频电源的功率为150w。
15.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：通过采用调节氮气分压的方法，能够较大程度的改变非晶碳薄膜的光学带隙，同时对非晶碳薄膜的其它性能影响较小，而且通过改变氮气的分压比例能够有选择性的调节薄膜光学带隙。
附图说明
16.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
17.图1为本发明实施例制备的含氢非晶碳薄膜带隙宽度与氮气分压比之间的关系图。
18.图2为本发明实施例制备的含氢非晶碳薄膜在氮气分压为0%和9%时的sp2与sp3杂化键的强度图。
19.图3为一种调节含氢非晶碳薄膜带隙宽度的方法的流程图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
23.参照图1-3对本发明一种调节含氢非晶碳薄膜带隙宽度的方法实施例做进一步说明。
24.一种调节含氢非晶碳薄膜带隙宽度的方法，采用射频磁控溅射方法在透明玻璃上制备非晶碳薄膜,包括以下步骤：
s1:将透明玻璃衬底固定在磁控溅射系统的石墨加热衬底上，进行预加热；s2:对溅射系统腔室抽真空；s3:通入氩气至溅射系统腔室内作为等离子体的工作气体；s4:对溅射系统腔室中通入氮气分压为一定比例的甲烷与氮气混合气作为含氢非晶碳薄膜的反应气体源；s5:开启射频电源，调节溅射系统腔室内压强，实现辉光放电，进行含氢非晶碳薄膜沉积；s6:通过对s4中的氮气分压进行调节，使氮气分压在0%-9%范围内变化，实现含氢非晶碳薄膜带隙宽度的在1.0~2.0ev范围内变化。
25.优选的，s5中所述非晶碳薄膜沉积在透明玻璃衬底表面，所述非晶碳薄膜的厚度为1000~2000nm。
26.优选的，s1中所述透明玻璃衬底的预加热温度为200℃。
27.优选的，非晶碳薄膜沉积时的透明玻璃衬底的温度为200℃。
28.优选的，所述非晶碳薄膜的制备采用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材。
29.优选的，s2中所述溅射系统腔室的真空度为10-5
pa量级。
30.优选的，s3中所述氩气的流量为1.7sccm。
31.优选的，s4中所述甲烷通入溅射系统腔室的流量为1-10sccm，所述氮气通入溅射系统腔室的流量为1-10sccm。
32.优选的，s5中所述溅射系统腔室内的压强为0.7pa。
33.优选的，s5中所述射频电源的功率为150w。
34.实施例一：在磁控溅射设备上，将透明玻璃作为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，对透明玻璃衬底进行预加热，预加热温度为200
°
c；将溅射系统腔室抽真空，使溅射系统腔室的真空度为10-5
pa量级；通入流量为1.7sccm的氩气至溅射系统腔室内作为等离子体的反应气体；通入氮气分压比为0的甲烷和氮气的混合气作为磁控溅射过程中的反应源气体，其中甲烷通入溅射系统腔室的流量范围为1-10sccm；开启射频电源，将溅射系统腔室内的压强调节至0.7pa，调节射频电源的功率为150w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，制得带隙宽度为1.68ev的非晶碳薄膜。
35.实施例二：在磁控溅射设备上，将透明玻璃作为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，对透明玻璃衬底进行预加热，预加热温度为200
°
c；将溅射系统腔室抽真空，使溅射系统腔室的真空度为10-5
pa量级；通入流量为1.7sccm的氩气至溅射系统腔室内作为等离子体的反应气体；通入氮气分压比为2.44的甲烷和氮气的混合气作为磁控溅射过程中的反应源气体，其中氮气和甲烷通入溅射系统腔室的流量范围均为1-10sccm；开启射频电源，将溅射系统腔室内的压强调节至0.7pa，调节射频电源的功率为150w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，制得带隙宽度为1.47ev的非晶碳薄膜。
36.实施例三：在磁控溅射设备上，将透明玻璃作为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，对透明玻璃衬底进行预加热，预加热温度为200
°
c；将溅射系统腔室抽真空，使溅射
系统腔室的真空度为10-5
pa量级；通入流量为1.7sccm的氩气至溅射系统腔室内作为等离子体的反应气体；通入氮气分压比为4.76的甲烷和氮气的混合气作为磁控溅射过程中的反应源气体，其中氮气和甲烷通入溅射系统腔室的流量范围均为1-10sccm；开启射频电源，将溅射系统腔室内的压强调节至0.7pa，调节射频电源的功率为150w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，制得带隙宽度为1.28ev的非晶碳薄膜。
37.实施例四：在磁控溅射设备上，将透明玻璃作为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，对透明玻璃衬底进行预加热，预加热温度为200
°
c；将溅射系统腔室抽真空，使溅射系统腔室的真空度为10-5
pa量级；通入流量为1.7sccm的氩气至溅射系统腔室内作为等离子体的反应气体；通入氮气分压比为6.98的甲烷和氮气的混合气作为磁控溅射过程中的反应源气体，其中氮气和甲烷通入溅射系统腔室的流量范围均为1-10sccm；开启射频电源，将溅射系统腔室内的压强调节至0.7pa，调节射频电源的功率为150w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，制得带隙宽度为1.21ev的非晶碳薄膜。
38.实施例五：在磁控溅射设备上，将透明玻璃作为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，对透明玻璃衬底进行预加热，预加热温度为200
°
c；将溅射系统腔室抽真空，使溅射系统腔室的真空度为10-5
pa量级；通入流量为1.7sccm的氩气至溅射系统腔室内作为等离子体的反应气体；通入氮气分压比为9.1的甲烷和氮气的混合气作为磁控溅射过程中的反应源气体，其中氮气和甲烷通入溅射系统腔室的流量范围均为1-10sccm；开启射频电源，将溅射系统腔室内的压强调节至0.7pa，调节射频电源的功率为150w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，制得带隙宽度为1.1ev的非晶碳薄膜。
39.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。