單晶硅表面磁控濺射銅柵極

熊禮威，崔曉慧，汪建華，翁俊，龔國(guó)華，張林

（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北武漢430074；2.廣東生之源數(shù)碼電子股份有限公司，廣東佛山528234）

單晶硅表面磁控濺射銅柵極

熊禮威1，2，崔曉慧1，2，汪建華1，2，翁俊1，2，龔國(guó)華1，2，張林3

（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北武漢430074；2.廣東生之源數(shù)碼電子股份有限公司，廣東佛山528234）

晶硅太陽能電池表面的導(dǎo)電柵極主要用于輸出電能，若其與基體間的附著力較差，將會(huì)極大地降低電池元件的穩(wěn)定性和使用壽命，而與其他制備方法相比，物理氣相沉積法具有可控性好、成本低等優(yōu)勢(shì).為了繼承物理氣相沉積法的相關(guān)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠使銅柵極與基片之間具有良好的附著力，利用磁控濺射法在單晶硅上進(jìn)行銅柵極的制備實(shí)驗(yàn)，研究了磁控濺射過程中濺射功率和工作氣壓等參數(shù)對(duì)最終制得的銅柵極附著力的影響.采用超聲震蕩加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)銅柵極的附著力，使用金相顯微鏡觀察銅柵極的整體形貌及斷線率，通過掃描電子顯微鏡觀察銅膜的表面形貌.結(jié)果表明在濺射功率為180W，工作氣壓為0.8 Pa的條件下制備的銅柵極線寬更為均勻，且進(jìn)行加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)后斷線率為0.

單晶硅太陽能電池；銅柵極；附著力

0 引言

1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出第一塊單晶硅太陽能電池，開啟了人類對(duì)太陽能利用的新紀(jì)元［1］.單晶硅太陽能電池的理論光電轉(zhuǎn)化效率為24%～26%，相較于其他硅晶太陽能電池而言更高，而且技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好、應(yīng)用領(lǐng)域廣，多用于光伏電站等重要前沿領(lǐng)域［2-4］.作為電池元件不可或缺的一部分，導(dǎo)電柵極的性能要求十分嚴(yán)格，不僅要求它擁有良好的導(dǎo)電能力，其與基體之間的附著力也至關(guān)重要.迄今為止，導(dǎo)電柵極的制備方法主要有絲網(wǎng)印刷法［5-6］、電鍍法［7-9］和物理氣相沉積法（PVD）［10-11］等，其中PVD法制備銅柵極具有可控性更好、成本低、工藝簡(jiǎn)單、膜厚與晶體顆粒均勻等優(yōu)勢(shì).

目前以銅作為太陽能電池導(dǎo)電柵極的研究較多，這主要是由于銅的導(dǎo)電性較好，而且銅柵極與硅基可形成良好的歐姆接觸，不易產(chǎn)生附加阻抗，在作為導(dǎo)電電極正常使用的同時(shí)，也不會(huì)影響太陽能電池工作時(shí)硅半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度.本文利用磁控濺射法在預(yù)涂有光刻膠的單晶硅基片上沉積一層銅膜，然后用濕法刻蝕的方法剝?nèi)ス饪棠z以及其上沉積的銅膜，最終獲得銅柵極，主要探討了磁控濺射過程中濺射功率和氣壓對(duì)最終獲得的銅柵極附著力的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)使用尺寸為125 mm×125 mm，厚度為0.2mm的單晶硅片為基片，銅柵極的制備工藝流程如圖1所示.首先在硅基片上預(yù)涂覆上RZJ304型正性光刻膠，然后用光刻的方法刻蝕出兩條主柵線和多條與主柵線垂直的細(xì)柵線.其中主柵線寬度為1.3mm，用于將電池片上細(xì)柵線導(dǎo)出的光生電流匯集在一起，再將電流導(dǎo)出［12］.細(xì)柵線寬度約為50μm，可將光生電流從電池體內(nèi)導(dǎo)出，較細(xì)的線寬一方面可提高硅太陽能電池的感光面積，提高光的利用率，另一方面可在一定的布線面積內(nèi)印制更多的柵極線，加強(qiáng)電池內(nèi)部電子的傳輸作用［13］.

將涂覆好光刻膠的硅片浸入去離子水中震蕩清洗15min，風(fēng)干后放入磁控濺射鍍膜機(jī)中進(jìn)行銅薄膜的沉積實(shí)驗(yàn)，在其它條件保持不變的情況下，分別在160W和180W的磁控濺射功率下在0.4 Pa到0.8 Pa的腔體氣壓下沉積銅薄膜.濺射完成后將冷卻后的基片在丙酮溶液中浸泡10min以消除基片上的光刻膠及其上沉積的銅膜，得到銅柵極.

圖1 制備銅柵極的工藝流程Fig.1 Preparation processof coppergate

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

銅柵極的沉積過程在型號(hào)為JCP-350的磁控濺射設(shè)備中進(jìn)行，其靶材與基片臺(tái)之間的距離為10 cm，靶材為純度99.995%的銅，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2 磁控濺射鍍膜機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Internal structure diagram ofmagnetron sputteringmachine

磁控濺射鍍膜的工作機(jī)理是在電場(chǎng)的作用下，異常輝光放電產(chǎn)生的等離子體對(duì)陰極靶材表面進(jìn)行轟擊，將靶材表面的分子、原子、離子及電子等濺射出來，被濺射出來的粒子帶有一定的動(dòng)能，沿一定的方向射向基片表面，并在基片表面形成鍍層.靶材原子的動(dòng)能使其對(duì)基片具有一定的轟擊作用，在基片表面具有較好的擴(kuò)散能力，同時(shí)可能存在部分粒子進(jìn)入基片內(nèi)部，因此該方法沉積的膜層與基片結(jié)合較強(qiáng)，致密性好，均勻性高.

1.3 實(shí)驗(yàn)表征

銅柵極的附著力通過加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，將制備好銅柵極的樣品放入超聲清洗機(jī)中在強(qiáng)震動(dòng)情況下超聲20min，然后利用光學(xué)金相顯微鏡觀察銅柵極的脫附情況.選取樣品中心50 mm× 50mm區(qū)域的20條細(xì)柵線為研究對(duì)象，在光學(xué)金相顯微鏡下觀察細(xì)柵線的斷線率（即存在斷點(diǎn)的柵線數(shù)與柵線總數(shù)之比），以此來表征銅柵極的附著力.利用JSM-5510LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察銅柵極的表面形貌，以從微觀層次探討銅柵極附著性能變化的原因.

2 結(jié)果與討論

2.1 磁控濺射氣壓對(duì)附著力的影響

磁控濺射鍍膜在氬氣氛下進(jìn)行，Ar流量固定在9.3 cm3/min，鍍膜時(shí)間均為8 m in.圖3（a）和圖3（b）是濺射功率為160W，工作氣壓分別為0.4 Pa和0.7 Pa的條件下沉積銅膜后，經(jīng)過濕法刻蝕及超聲震蕩加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)后所得的銅柵極線的金相顯微鏡圖片，圖中的白色線路即為銅細(xì)柵線.從兩圖的比較可以看出，在0.7 Pa下磁控濺射后制備的銅柵極線的連續(xù)性明顯優(yōu)于0.4 Pa的情況，圖3（b）中銅線更為清晰，斷線區(qū)域更少，但在太陽能電池銅柵極生產(chǎn)過程中，極少的斷點(diǎn)也是不允許的，因此還需進(jìn)行對(duì)工藝條件進(jìn)行進(jìn)一步探討.

為此，分別在160W和180W的濺射功率下，使氣壓從0.4 Pa逐漸增加到0.8 Pa進(jìn)行了一系列試驗(yàn).圖4為兩組實(shí)驗(yàn)條件下制備得到的銅柵極斷線率檢測(cè)結(jié)果.由圖可見，在同等功率條件下，斷線率隨著氣壓的增大而呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì).這種變化趨勢(shì)可以解釋為［14］：在保持氣體分子和溫度均不變的情況下，工作氣壓的增大導(dǎo)致氣體分子的平均自由程變小，濺射出的銅粒子與工作氣體（Ar）之間的碰撞頻率增大，大大的增強(qiáng)了等離子體中二次電子的發(fā)射，使等離子體密度增大，放電加強(qiáng)，濺射能力增加，濺射出更多的銅原子.如此，基片上有機(jī)會(huì)吸附更多銅原子，因此使銅膜的連續(xù)性更好，短線點(diǎn)更少.

圖3 濺射功率160W條件下沉積出的銅柵極Fig.3 Copper grid respectively deposited w ith sputtering power on 160W.

圖4 濺射功率分別為160W、180W時(shí)，工作氣壓對(duì)斷線率的影響Fig.4 The influence ofworking pressure respectively on the rate of disconnection when the sputtering powerwas 160W and 180W

但濺射氣壓增大到一定程度后，分子的平均自由程太小，則有可能導(dǎo)致被濺射出的銅粒子在向基片運(yùn)動(dòng)的過程中，本身所具有的能量因?yàn)轭l繁的碰撞而損失太多，而無法到達(dá)基片表面，或因能量太低使得Cu原子在基片表面的擴(kuò)散力下降，無法穩(wěn)定附著于基片上.另外，過多的碰撞也可能使一些銅原子運(yùn)動(dòng)到沉積區(qū)域以外，在某種程度上可能致使沉積速率降低.如此，膜層不管是在連續(xù)性還是在附著力方面都存在很大的不足，極易存在缺陷.

2.2 磁控濺射功率對(duì)附著力的影響

作為影響薄膜質(zhì)量的重要因素之一，濺射功率對(duì)入射粒子的能量呈正相關(guān)影響，因此對(duì)濺射產(chǎn)額、沉積速率的大小也起著主要的影響作用.一般來說，在入射粒子的能量高于材料的濺射閾值后，膜的沉積速率便會(huì)隨著功率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化［15］.

本文在保持沉積氣壓0.8 Pa不變的情況下，分別在濺射功率104、120、160和180W條件下進(jìn)行了磁控濺射實(shí)驗(yàn).圖5（a）為濺射功率104W下沉積銅膜后制得的銅柵極的SEM圖，圖5（b）為銅柵極部分銅膜局部區(qū)域的放大圖.從圖5（a）可以看出，柵極線的邊緣并不平整，一些區(qū)域出現(xiàn)了明顯的斷點(diǎn).這主要是由于較低濺射功率下入射粒子獲得的動(dòng)能較低，Cu原子到達(dá)基片表面后沒有足夠的能量撞擊基片表面，難以進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致銅膜與基片之間的附著力較差，在超聲振蕩加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中附著力較差的部分就會(huì)脫離基片，從而出現(xiàn)明顯的斷點(diǎn).從圖5（b）中可以很明顯的看出，銅膜表面非常粗糙，顆粒之間連續(xù)性差，其上可見明顯裂紋和缺陷，顆粒也比較大，其整體形貌體現(xiàn)出較明顯的銅晶粒隨意堆積趨勢(shì).

圖5 功率在104W時(shí)，刻蝕后的銅柵極的SEM圖Fig.5 SEM image of etched coppergate deposited under 104W

圖6為120W濺射功率下制得的樣品的SEM圖片.當(dāng)功率由104W升高到120W時(shí)，明顯可見膜層表面的連續(xù)性獲得了較大改善.從圖4中的曲線可以看到，在160W和180W的濺射功率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，硅片上銅柵極的斷線率也存在著很大的差異.在0.5 Pa的沉積氣壓下，濺射功率為160W時(shí)，銅柵極的斷線率為83%，而功率在180W時(shí)則降到了75%.氣壓為0.7 Pa時(shí)，180W的功率條件下，基片上的柵極線便已經(jīng)找不出斷點(diǎn)；而在160W的情況下，柵極斷線率在氣壓升到0.8 Pa時(shí)才降為0.

圖6 功率為120W時(shí)，刻蝕后銅柵極的SEM圖Fig.6 SEM imageof etched copper gate deposited under 120W

這可以歸結(jié)于：功率增大，入射粒子的能量隨之升高，Cu原子到達(dá)基片表面后的擴(kuò)散移動(dòng)能力增大，在基體表面遷移運(yùn)動(dòng)也比較容易.形成薄膜時(shí)，也更利于形成致密且表面光滑的膜層，極大的降低了缺陷和縫隙等不足.再者，在入射粒子能量隨功率的增加而增大的過程中，沉積速率也會(huì)隨之提高，且部分高能粒子也會(huì)嵌入基片表面，使膜層與基體間的附著力更好［16］.

3 結(jié)語

通過對(duì)磁控濺射功率和沉積氣壓的研究發(fā)現(xiàn)，較高的濺射功率和較高的氣壓有利于提高銅柵極的附著力.考慮到本實(shí)驗(yàn)所用裝置濺射功率的限制，在180W的安全濺射功率下，氣壓過高會(huì)導(dǎo)致等離子體不穩(wěn)定，出現(xiàn)閃爍和湮滅現(xiàn)象，綜合以上因素，本實(shí)驗(yàn)在氣壓0.8 Pa，濺射功率180W時(shí)在單晶硅表面制備出了附著力良好，斷線率為0的銅柵極.

致謝

感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、湖北省教育廳、武漢工程大學(xué)對(duì)本研究的支持和資助，同時(shí)也對(duì)張保華等老師在樣品檢測(cè)方面提供的幫助表示感謝.

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Copper grid on monocrystalline silicon deposited by magnetron sputtering

XIONG Li-wei1，2，CUIXiao-hui1，2，WANG Jian-hua1，2，WENG Jun1，2，GONG Guo-hua1，2，ZHANG Lin3
（1. School of Material Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2. Hubei Provincial Key Laboratory of Plasma Chemistry & Advanced Materials（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430074，China；2. Guangdong Health Digital Electronics Co. ，Ltd. ，F(xiàn)oshan 528234，China）

The conductive gate on the surface of crystalline silicon solar cell is mainly used for outputtingcurrent energy and it will reduce the stability and service life of the battery element in a great degree if itshows poor adhesion between the matrix and the gate. Physical vapor deposition method has advantages ofgood controllability and low cost. To obtain good adhesion between the copper grid and the substrate on thebasis of inheriting advantages of physical vapor deposition，we used magnetron sputtering method to preparecopper grid on single crystal silicon. Influences of work pressure and sputtering power on the adhesionbetween deposited gates with substrate were discussed by designing process parameters. The detection ofoverall morphology， disconnection rate and surface morphology were respectively carried out bymetallographic microscope and scanning electron microscopy. The enhanced assay was used to predicate theadhesion of the copper grid through ultrasonic vibration. Experimental results show that the width of thedeposited copper gate is more uniform and the disconnection rate reaches 0 when sputtering power is 180 Wand high working pressure is 0.8 Pa.

mono-crystalline silicon solar cells；copper grid；adhesion

TQ175.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2014.01.011

1674－2869（2014）01－0052－05

本文編輯：龔曉寧

2013-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11175137）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Q20121501）；武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金（11111051）

熊禮威（1983-），男，湖北仙桃人，博士，碩士研究生導(dǎo)師.研究方向：低溫等離子體技術(shù)及新型功能材料制備.