连续或半连续激光沉积的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及通过激光蒸发沉积材料的方法，其中所采用的激光器是连续或半连续激光器。使用这样的激光器，可以以受控方式从靶表面的液体或液化靶材料的局部池蒸发靶材料。本发明专利技术还提供用于执行所述方法的系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过激光蒸发沉积材料的方法和系统。该方法包括提供第一激光器， 提供沉积腔室，在所述沉积腔室内提供基本上激光蒸发材料的靶，在所述沉积腔室内提供 衬底(substrate)，将所述沉积腔室抽空至低于大气压，操作所述第一激光器从而引导第一 激光束指向靶以便形成激光蒸发材料的云(cloud)，将所述衬底至少部分设置在所述激光 蒸发材料的云内，并在所述衬底上沉积所述激光蒸发材料。
技术介绍
所述方法可从例如US 2004/0033702-A1中获知。与已知方法关联的问题是对烧 蚀工艺的控制水平相对低，这妨碍形成高质量的膜。例如，根据已知方法，在激光烧蚀靶的 过程中，产生激光烧蚀靶材料的气缕(plume)，其包含理想情况下不应产生的微粒，这些微 粒应明显较少地沉积在衬底上，因为它们对膜的质量有负面影响。为了防止所述微粒沉积 在衬底上，US 2004/0033702-A1使用旋转靶以赋予烧蚀材料预定的速度分量，使得较重的 且较慢移动的蒸发物从传播方向偏离，并被防止沉积在衬底上。虽然该具体实例表明对烧 蚀工艺的控制度低，但其能够以该方式处理，显然优选采用激光沉积方法，其首先不产生任 何微粒。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供通过激光蒸发沉积材料的方法，其使得对烧蚀工艺的 控制度高于已知方法所提供的控制度。为了该目的，本专利技术提供了根据上述类型的方法，其特征在于所述第一激光器是 连续或半连续激光器，其中半连续激光器是脉冲激光器，其脉冲频率小于1kHz，脉冲宽度为 至少0. 0001秒。已知的激光沉积方法通常被称为脉冲激光沉积(PLD)，其采用脉冲激光，该脉冲激 光产生相对短的光脉冲，脉冲持续时间为纳秒、皮秒量级或甚至更短持续时间。由于烧蚀靶 材料所需的所有或至少大部分能量通过这些相对短的激光脉冲转移到靶材料，激光脉冲通 常具有相对高的能量。因此，靶材料表面的激光烧蚀发生在相当剧烈的状况下，包括高温和 高压，及其急剧升降的梯度。撞击靶材料的高功率激光脉冲串(train)可引起靶材料分子 结构的分解，和/或靶材料的升华(即，材料直接从其固态气化)，因而理想情况不出现在 烧蚀材料云中的微粒脱离靶。而且，脉冲激光沉积的猛烈性质可干扰精确稳定的沉积速率。 为了达到对烧蚀工艺和烧蚀材料云成分的更好控制，根据本专利技术的方法使用连续或半连续 地将能量转移到靶的激光。这样的激光以比上述已知方法中使用的脉冲激光低的功率发射 其能量。因此，不太可能分解靶材料的分子结构，或升华靶。通过使用连续或半连续激光， 在靶表面形成所谓的“熔化”:液体或液化靶材料的局部池，通过向其提供能量，所述材料可 从该池中以良好控制的方式蒸发。根据本专利技术的方法因此考虑到一种烧蚀方法，通过该方 法靶材料首先形成液体或液化状态，然后由该状态蒸发。精确控制从熔化状态蒸发靶材料5的速率例如可以通过改变半连续激光的脉冲宽度和/或脉冲频率实现，或通过改变激光波 长实现。上述方法可广泛应用。其可用于激光沉积任何可激光蒸发的材料，如金属或半导 体如硅。根据本专利技术另一方面，根据本专利技术的方法进一步包括在所述沉积腔室中提供气体 环境。通过提供气体环境，除靶材料以外的元素可引入到沉积材料中和/或膜中。所谓 前躯气体的分子和/或原子例如可与激光蒸发的靶材料化学反应，或者在靶材料沉积之 前，或者在沉积后在衬底上。即使通过激光获得的高生长速率诱导蒸发沉积，这也会发生。 反应性气体也可用来从沉积腔室中消除污染材料。例如，清扫气体(scavenger gas)如硅 烷(SiH4)可用来有效地消除任何氧气(O2)，氧气可通过氧化沉积材料而影响沉积过程。而 且，非反应性气体也是有用的，例如用于减少在抽真空后仍在沉积腔室内存在的残余气体 (如水蒸气和氧气)的影响，从而促进激光蒸发材料的扩散，和/或通过改变沉积腔室内气 体环境压力来控制激光蒸发材料的云尺寸。根据本专利技术的更详尽的细节，所述气体环境是氢气气体环境。氢气气体环境在待沉积的靶材料要被氢化时是特别有用的。例如，其可以是在形 成非晶硅(a-Si)膜的情况下，从而减小自由键(dangling bond)密度。根据本专利技术的更详尽的细节，根据本专利技术的方法进一步包括提供用于将气体环境 包括的至少部分气体分解为等离子体的装置，和操作所述装置以便使所述至少部分气体分 解为等离子体。虽然沉积腔室内初始非反应性气体有时可活化(activated)，例如通过激光蒸发 材料云的温度，但在一定情形中，通过其他装置活化气体可能是必须的或理想的。等离子 体-高度(反应)活性形式的气体可以许多方式形成，如通过使用磁控管、ICP(感应耦合 等离子体)源，或电极对(通过可控电源施加可能是交变的电势差穿过该电极对)。通过 适当选择背景气体和气体分解装置，沉积腔室内反应性微粒的种类和数量可控制，且其中 沉积材料的组成和特征可控制。在气体分解装置包括一个或更多电极的情形中，相对容易 确保等离子体至少出现在靶或衬底的直接环境中。例如，这可以通过为靶和衬底分别提供 载体(carrier)以便设置该元件而实现，因而载体也用作电极，以便电偏置靶或衬底。通 过电偏置元件，即，相对其周围环境提供该元件以一定的电势，来自气体或等离子体的微粒 可被吸引到要沉积的元件，以便影响，或与元件化学反应。应注意，为了实现该效果，不需 要电极物理连接到该元件或衬底或靶载体。在元件附近例如在其后提供偏压电极(biased electrode)是足够的。根据本专利技术的更详尽的细节，根据本专利技术的方法进一步包括提供第二激光器，和 操作所述第二激光器从而引导第二激光束指向所述靶从而预热所述靶的至少部分表面区 域。利用两个激光，可改善对蒸发工艺的控制水平。辅助激光，即第二激光器可用来预 热靶表面例如到其熔点或蒸发温度附近，随后靶材料的蒸发可通过第一激光器诱导。该两 步工艺的优点是第一激光器可经配置以在针对随后的沉积工艺而设计的参数(如脉冲持 续时间、脉冲宽度、脉冲高度和/或波长)下、和相对低的功率下发射其能量，因此允许对靶 表面温度非常精确地控制。辅助激光可以以几种方式预热靶表面，如利用线辐照-通过使面上的扫描运动。根据本专利技术的更详尽的细节，根据本专利技术通过激光蒸发沉积材料的方法可用于制 造薄膜太阳能电池。根据本专利技术的方法制造的高质量薄膜可用于薄膜太阳能电池。该方法适于制造厚 度和表面尺寸不同的单层和多层膜。本专利技术更详尽的细节在权利要求和以下对附图的说明中进行描述。 附图说明图1和图2分别示意性示出根据本专利技术的激光沉积系统的侧视图和前视图。 具体实施例方式图1和图2示出根据本专利技术的激光沉积系统。附图示出了以下元件圆柱形靶1， 所述靶1具有提供有内部流体通道6的靶表面1，，所述流体通道6具有端部连接器7和7 ’ ； 在输运方向T上移动的衬底2 ；发射激光束3’的第一连续或半连续激光器3 ；发射激光束4’ 的第二激光器4 ；气体或等离子体气体环境5，激光蒸发材料云8，和两个屏蔽(shields) 9， 9’。前述靶1、衬底2和气体或等离子体气体环境5都位于沉积腔室(同样未示出)内，该 腔室通过泵(未示出)抽真空至低于大气压(sub-atmospheric pressure) 0激光器3，4不 必位于沉积腔室内；它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于激光沉积的方法，包括：提供第一激光器（３），提供沉积腔室，在所述沉积腔室中提供基本上激光蒸发的材料的靶（１），在所述沉积腔室中提供衬底（２），将所述沉积腔室抽真空至低于大气压，操作所述第一激光器（３）从而将第一激光束（３’）引向所述靶（１）从而形成激光蒸发材料云（８），将所述衬底（２）至少部分地设置在激光蒸发材料的所述云（８）内，在所述衬底（２）上沉积所述激光蒸发材料，其特征在于：所述第一激光器（３）是连续或半连续激光器，其中半连续激光器是脉冲激光器，其脉冲频率小于１ｋＨｚ，脉冲宽度为至少０．０００１秒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗西斯库斯科尔内留斯丁斯，沃特鲁斯约翰内斯玛丽亚布罗克，
申请(专利权)人：OTB太阳能有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]