準(zhǔn)分子激光引起的非晶硅薄膜晶化行為的研究
利用KrF準(zhǔn)分子激光對非晶硅薄膜的表層進(jìn)行了晶化。研究了激光能量密度和照射脈沖數(shù)對薄膜結(jié)晶度的影響，并對晶化后薄膜的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：該非晶硅薄膜晶化閾值約為110mJ/cm2，且不受照射脈沖數(shù)的影響；激光能量密度是影響薄膜結(jié)晶度的首要因素，但在較低的能量密度時(shí)，增加照射脈沖數(shù)也會(huì)顯著的提高薄膜結(jié)晶度；結(jié)構(gòu)及形貌表征發(fā)現(xiàn)，薄膜晶化層厚度約為400~500nm，平均晶粒尺寸為30~50nm。
準(zhǔn)分子激光晶化（ELC）是一種將非晶硅薄膜轉(zhuǎn)換為多晶硅薄膜的有效方法，目前在薄膜晶體管（TFT）和薄膜太陽能電池領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用。通常準(zhǔn)分子激光工作在紫外光區(qū)，非晶硅薄膜對其光子的吸收僅限于表層的幾納米深度；并且由于激光脈寬較窄，非晶硅的融化和結(jié)晶過程在納秒級的短時(shí)間內(nèi)完成，整個(gè)晶化過程對于薄膜的襯底幾乎沒有影響。因此，可以采用廉價(jià)襯底，如玻璃，不銹鋼等，這對于制造低成本、大面積的高效太陽能電池來說是非常關(guān)鍵的。然而，目前的研究主要集中于將非晶硅薄膜整體晶化，至今很少有文獻(xiàn)報(bào)道利用該技術(shù)來進(jìn)行薄膜的表層晶化，從而制備微晶硅/ 非晶硅（μc-Si/a-Si）復(fù)合薄膜。眾所周知，非晶硅薄膜在接受陽光照射時(shí)存在光致亞穩(wěn)效應(yīng)（SWE），并且對紅光及紅外波長吸收不足，這些在很大程度上影響了薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性。而微晶硅薄膜對紅外吸收系數(shù)高、穩(wěn)定性好，可以大大彌補(bǔ)非晶硅的不足。因此，這種復(fù)合薄膜對于提升薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性具有巨大的潛力。然而，由于非晶與微晶結(jié)構(gòu)上的差異，使得復(fù)合薄膜沉積工藝復(fù)雜、制備困難。因此，將ELC技術(shù)應(yīng)用于此，使得復(fù)合薄膜制備工藝簡單快捷，有著很好的研究和應(yīng)用前景。
本文采用KrF（波長為248nm）準(zhǔn)分子激光對非晶硅薄膜進(jìn)行晶化處理，制備了μc-Si/a-Si復(fù)合薄膜。主要研究了激光能量密度和輻照脈沖數(shù)對薄膜結(jié)晶度的影響，并且對晶化行為和機(jī)制進(jìn)行了討論。
1、實(shí)驗(yàn)方法
待晶化的非晶硅薄膜通過電子回旋共振-等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積（ECR-PECVD）方法制得，采用普通玻璃作為襯底，反應(yīng)氣體為Ar和SiH4。沉積工藝參數(shù)為：沉積室本底真空7×10-3Pa，SiH4流量10 sccm，Ar 流量70sccm，沉積溫度~300℃，工作壓力3.0Pa，微波功率600 W，沉積時(shí)間為6h。沉積得到的薄膜厚度約為1.7μm。激光晶化采用Lambda Physik LPX 305iKrF (λ = 248 nm)準(zhǔn)分子激光作為輻照源，激光脈寬25 ns，光斑尺寸為30×10mm。實(shí)驗(yàn)在室溫（25℃）空氣條件下進(jìn)行，采用Ar作為保護(hù)氣體，激光能量密度為50~300mJ/cm2。采用JEOL JSM-6301F 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE- SEM） 來進(jìn)行薄膜形貌觀察。利用JYLabram HR 800 激光拉曼光譜儀來進(jìn)行結(jié)晶度的研究，工作氣體He- Ne，激光波長632.8nm。采用Tecnai G220透射電子顯微鏡（TEM）對薄膜進(jìn)行形貌觀察及電子衍射分析。
2、結(jié)果分析與討論
2.1、激光能量密度對薄膜結(jié)晶度的影響
激光能量密度直接影響薄膜的晶化效果。圖1給出了在不同激光能量密度輻照下薄膜的Raman散射譜。從圖中可以看出，在激光能量密度為50mJ/cm2 和80 mJ/cm2 時(shí)，Raman譜顯示為480cm-1處的非晶包，表明薄膜仍處于非晶狀態(tài)。當(dāng)激光能量密度為110 mJ/cm2時(shí)，Raman 譜首次出現(xiàn)了520 cm-1處的尖峰，表明薄膜晶化已經(jīng)開始，晶化閾值110mJ/cm2 在附近，這與真空技術(shù)網(wǎng)以往的文章上的結(jié)果一致。而且，隨著激光能量密度升高，520 cm-1 處的晶體峰越來越強(qiáng)，表明薄膜的結(jié)晶度逐漸提高。
圖1 不同激光能量密度條件下薄膜的Raman散射譜
為了進(jìn)一步分析薄膜晶化層中微晶相的比例，我們對Raman 散射譜進(jìn)行分峰擬合，采用公式Xc=(I520+I510)/(I520+I510+I480)來計(jì)算薄膜的結(jié)晶度。其中，Xc代表薄膜中微晶相所占的比例，I520、I510、I480分別指對應(yīng)于520cm- 1，510cm-1和480 cm- 1處進(jìn)行Lorentzian分解后，三個(gè)波峰的相對積分強(qiáng)度。通過計(jì)算得到薄膜結(jié)晶度對激光能量密度的曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，結(jié)晶度隨著激光能量密度的增加呈現(xiàn)出先緩慢、再迅速、最后緩慢增加的變化趨勢。這是由于：當(dāng)激光能量密度高于晶化閾值而低于150 mJ/cm2 時(shí)，晶化過程剛剛開始，薄膜表面并未出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，非晶硅是以固相結(jié)晶機(jī)制進(jìn)行晶化，因而結(jié)晶度增加緩慢；當(dāng)激光能量密度超過150 mJ/cm2，即非晶硅薄膜的表面熔化閾值時(shí)，由于薄膜表面熔化而使結(jié)晶度急劇增加，并且隨能量密度升高，薄膜表面熔化的停留時(shí)間增加， 熔化的比例增加，因而結(jié)晶度迅速增加； 當(dāng)激光能量密度高于250 mJ/cm2時(shí)， 由于薄膜表面晶化程度已經(jīng)處于較高水平，增長的空間不大，因而結(jié)晶度增加緩慢。
圖2 結(jié)晶度與激光能量密度的關(guān)系
