ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Реактивное испарение

Создавая условия для химического взаимодействия содер­жащихся в паре частиц различных веществ либо в процессе их перемещения от источника к подложке, либо непосредственно на поверхности подложки, можно получать пленки различных сплавов и соединений. Протекание процесса реактивного испа­рения, безусловно, зависит от кинетических и термодинамиче­ских свойств определенной системы паров.

Эффективность процесса осаждения испаренных веществ значительно возрастает при повышении реакционной способно­сти частиц пара. Одним из способов повышения реакционной способности является ионизация частиц пара посредством их бомбардировки быстрыми электронами, испускаемыми нагре­тым источником. Другой способ заключается в том, что ионы одного из взаимодействующих компонентов создают с помощью тлеющего разряда, через который проходят частицы других компонентов. Этот метод, называемый «активированным реак­тивным испарением», успешно применяется для получения пле­нок смеси оксидов индия и олова (ITO) и Cu₂S с очень хоро­шими оптическими и электрическими свойствами. Еще один метод повышения эффективности процесса осаждения состоит в получении атомарных форм стабильных двухатомных моле­кул, в том числе 0₂ (для осуществления окисления), Н₂ (при «осаждении гидридов) и N₂ (при получении нитридов). К при­меру, пленки гидрогенизированного аморфного кремния осаж­дают при испарении Si в присутствии атомарного водорода,

получаемого посредством пиролиза Н₂ на раскаленной воль­фрамовой нити [7].

Испарители

Температуру материала, предназначенного для испарения, можно повысить путем прямого или косвенного нагрева. Наи­более простым и общепринятым является метод резистивного нагрева нити или лодочки, на которые помещают испаряемый материал, Промышленность выпускает нити и лодочки [2, 3] разнообразных форм и размеров из ряда материалов, предна­значенные для испарения широкого набора веществ и различ­ных областей применения. Для нескольких стандартных испа­рителей распределение паров испаряемых веществ по направ­лениям хорошо известно и рассмотрено в учебниках.

При изотропном испарении из точечного испарителя ско­рость осаждения частиц на поверхность плоского приемника пропорциональна cos0/r² („закон косинуса” Кнудсена). Здесь г —расстояние между приемником и испарителем, а 0 — угол между направлением испарения и нормалью к поверхности приемника. При использовании испарителя малой площади скорость осаждения частиц на поверхность плоского приемника, параллельную поверхности испарения, пропорциональна cos²0/r².

Для испарения материалов с высоким давлением паров, в том числе полупроводников, обычно применяют точечные источники испарения и испарители прямоканального типа. На рис. 2.1 показаны три типа таких испарителей. Благодаря узкому выходному отверстию пары находятся внутри испари­теля в однородном и равновесном состоянии. Испаритель, при­меняемый в нашей лаборатории для испарения C.dS и анало­гичных материалов, представляет собой кварцевый баллон с узким горлом. Отверстие для выхода паров снабжено молиб­деновой заслонкой конической формы, установленной в верхней части баллона. В баллон загружают спеченный порошок CdS и его нагрев осуществляют с помощью цилиндрического молиб­денового нагревателя, окруженного тепловым экраном из во­локнистого диэлектрического материала и тантала. Другой вариант конструкции такого испарителя, используемого иссле­дователями из университета шт. Делавэр (США) для управля­емого испарения (CdZn)S, представляет собой два коаксиаль­ных графитовых испарителя, окруженных цилиндрическим тан­таловым нагревателем резистивного типа. Необходимое соотношение между скоростями испарения CdS и ZnS при на­личии одного нагревателя устанавливается путем подбора физических параметров коаксиальных испарителей.

Метод осаждения пленок с использованием нескольких испарителей имеет важное значение для технологии изготовления многослойных структур, а также для получения сплавов и по­лупроводников заданного состава. Посредством изменения тем­пературы подложки можно регулировать давление паров ком­понентов, а также, что не менее важно, воздействовать на относительные коэффициенты прилипания и термодинамически равновесное состояние различных составляющих пара. Благо­даря этому метод осаждения с использованием нескольких испарителей при соответствующем температурном контроле идеально подходит для выращивания пленок многокомпонент­ных полупроводников определенного состава и широко приме­няется для получения пленок соединений IV—VI, II—VI и III—V групп периодической системы элементов.

В табл. 2.2 указаны некоторые особенности и параметры процесса испарения, а также рекомендуемые испарители для материалов, которые могут быть использованы в солнечных элементах.