非晶硅薄膜晶化過程的研究

　　多晶硅薄膜具有較高的電遷移率和穩(wěn)定的光電性能，是制備微電子器件、薄膜晶體管、大面積平板液晶顯示的優(yōu)質(zhì)材料。多晶硅薄膜被公認(rèn)為是制備高效、低耗、最理想的薄膜太陽能電池的材料。因此，如何制備多晶硅薄膜是一個(gè)非常有意義的研究課題。固相法是制備多晶硅薄膜的一種常用方法，它是在高溫退火的條件下，使非晶硅薄膜通過固相相變而成為多晶硅薄膜。本文采用固相法，利用X- ray 衍射及拉曼光譜，對用不同方法制備的非晶硅薄膜的晶化過程進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。

　　在硅薄膜太陽能電池材料中，非晶硅薄膜太陽能電池制造工藝相對簡單，但是存在光電轉(zhuǎn)換效率低，壽命短，穩(wěn)定性不好，并且存在光致衰退效應(yīng)(S-W 效應(yīng))等缺點(diǎn)。單晶硅薄膜太陽能電池因?yàn)橹谱鞴に嚭椭谱鞒杀镜仍�因始終得不到推廣，而多晶硅薄膜材料在長波段具有光敏性，能有效的吸收可見光并且具有光照穩(wěn)定性。

　　因此，如何讓非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅具有非常重要的研究意義，多晶硅薄膜太陽能電池已經(jīng)成為目前最具發(fā)展前景的研究課題之一。另一方面，大晶粒的多晶硅薄膜具有與晶體硅可相比擬的高遷移率，可以做成大面積、具有快速響應(yīng)的場效應(yīng)薄膜晶體管、傳感器等光電器件，從而在開辟新一代大陣列的液晶顯示技術(shù)、微電子技術(shù)中具有廣闊應(yīng)用前景。

　　非晶硅薄膜的制備方法有很多，如低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)，直流(射頻)磁控濺射等。生長多晶硅薄膜的方法有：化學(xué)氣相沉積包括低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、大氣壓強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(APCVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)以及液相生長、激光再晶化和固相晶化法(SPC)等。固相晶化法是指在(高溫)退火的條件下，使固態(tài)非晶硅薄膜的硅原子被激活、重組，從而轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜。它的特點(diǎn)是非晶固體發(fā)生晶化的溫度低于其熔融后結(jié)晶的溫度。常規(guī)高溫爐退火、快速熱退火、金屬誘導(dǎo)晶化、微波誘導(dǎo)晶化等都屬于固相晶化的范疇。本文采用PECVD 和磁控濺射方法在不同的條件下制備了a- Si: H 和a- Si 薄膜，并采取高溫退火和激光誘導(dǎo)晶化的方式，利用X- 射線衍射及拉曼光譜，對制備的非晶硅薄膜晶化過程進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1、磁控濺射制備非晶硅薄膜

　　本實(shí)驗(yàn)采用石英玻璃為襯底，實(shí)驗(yàn)前先將玻璃襯底浸泡在丙酮溶液中，放到JHN- 4F(200 W)超聲波清洗機(jī)清洗30 min;然后用分析乙醇同樣在超聲波清洗機(jī)中清洗30 min; 最后放入裝有去離子水的燒杯中在超聲波清洗器中清洗約30 min 后晾干。然后以高純硅為靶材在JGP500型超高真空磁控濺射設(shè)備上，分別采用直流和射頻方式制備了兩塊樣品。在濺射前，預(yù)濺射5 min以除去靶材表面氧化物。1# 樣品采用直流磁控濺射方式， 濺射功率為100 W， 本底真空度6×10- 4 Pa ， 濺射時(shí)間20 min，濺射氣壓0.5 Pa，襯底溫度為室溫。2#樣品采用射頻磁控濺射方式，濺射功率150 W，本底真空度6×10- 4 Pa，濺射時(shí)間120 min，濺射氣壓2.0 Pa，襯底溫度為室溫。樣品1# 和2# 均切為3 小塊，其中各保留一小塊不做退火處理，其他的小塊樣品處理情況為1#750℃、1#850℃，2#750℃、2#850℃在馬弗爐中退火1h。將1# 和2#未處理樣品用拉曼激光誘導(dǎo)方法，研究非晶硅薄膜的晶化過程。

1.2、PECVD 制備氫化非晶硅薄膜

　　本實(shí)驗(yàn)采用單晶硅片為襯底，按石英玻璃基片的清洗步驟清洗后烘干，然后置于PECVD系統(tǒng)中。樣品制備條件為襯底溫度250℃，工作氣壓120 Pa， 射頻功率100 W， 氣體流量SiH4/H2=15/5 sccm， 沉積時(shí)間30min， 制備得到a- Si：H 薄膜樣品。

2、結(jié)果及分析

2.1、AFM 和SEM 表征

　　本實(shí)驗(yàn)采用AFM (atomic force microscope 原子力顯微鏡)和SEM(scanning electron microscope)掃描電子顯微鏡對所得到的非晶硅薄膜進(jìn)行定性和定量的表征，并對a- Si 薄膜的厚度、沉積速率、表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究，得到如下結(jié)論:

　　(1) 非晶硅薄膜的表面粗糙度會(huì)隨著濺射功率的增大而增大，膜的均勻性將會(huì)變差;

　　(2) 非晶硅薄膜的表面粗糙度會(huì)隨著襯底加熱溫度的增大而減小，非晶硅薄膜的均勻性變好;

　　(3) 在0.5 Pa 至2.0 Pa 的范圍內(nèi)，隨著氬氣氣壓的增加非晶硅薄膜的表面粗糙度稍微變大;

　　(4) 隨著濺射時(shí)間的增加, 膜的厚度成非線性增加，沉積速率開始較快，之后逐漸減慢，膜的表面粗糙度逐漸變大;

　　(5)隨著濺射氣壓的增大，沉積速率有所降低。

3、結(jié)論

　　本文利用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)，對所制備的非晶硅薄膜進(jìn)行了定性和定量的表征，研究了濺射功率、襯底溫度、濺射時(shí)間、氬氣氣壓等因素對非晶硅薄膜表面形貌和厚度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：非晶硅薄膜的表面粗糙度會(huì)隨濺射功率、濺射時(shí)間和濺射氣壓的增加而增大，而隨著襯底加熱溫度的增加而減小。

　　對制備的非晶硅薄膜在不同溫度和時(shí)間進(jìn)行了退火處理。再利用X- 射線衍射儀(XRD)和拉曼光譜儀，對不同退火溫度的樣品進(jìn)行晶化程度的表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同條件制備的非晶硅薄膜在750℃退火1 h 后就已發(fā)生不同程度的晶化，并且直流磁控濺射制備的非晶硅薄膜比射頻磁控濺射制備的非晶硅薄膜更容易發(fā)生晶化;退火溫度越高，非晶硅薄膜晶化速率越快。

　　此外，通過拉曼激光誘導(dǎo)晶化，結(jié)果表明：拉曼激光誘導(dǎo)非晶硅晶化為局域晶化，具有晶化速度快的特點(diǎn);晶化過程中，需要控制激光強(qiáng)度，過強(qiáng)的激光會(huì)把非晶硅薄膜燒蝕掉。