非晶硅薄膜晶化過(guò)程的分析

非晶硅薄膜晶化過(guò)程的分析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(yáng)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(guò)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(duì)用不同方法制備的非晶硅薄膜的晶化過(guò)程開(kāi)展了系統(tǒng)地研究。

在硅薄膜太陽(yáng)能電池材料中，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(yáng)能電池因?yàn)橹谱鞴に嚭椭谱鞒杀镜仍蚴冀K得不到推廣，而多晶硅薄膜材料在長(zhǎng)波段具有光敏性，能有效的吸收可見(jiàn)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(yáng)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較的高遷移率，可以做成大面積、具有快速響應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)薄膜晶體管、傳感器等光電器件，從而在開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)、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(duì)制備的非晶硅薄膜晶化過(guò)程開(kāi)展了系統(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(200W)超聲波清洗機(jī)清洗30min;然后用分析乙醇同樣在超聲波清洗機(jī)中清洗30min;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30min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5min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100W，本底真空度6×10-4Pa，濺射時(shí)間20min，濺射氣壓0.5Pa，襯底溫度為室溫。2#樣品采用射頻磁控濺射方式，濺射功率150W，本底真空度6×10-4Pa，濺射時(shí)間120min，濺射氣壓2.0Pa，襯底溫度為室溫。樣品1#和2#均切為3小塊，其中各保存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(guò)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120Pa，射頻功率100W，氣體流量SiH4/H2=15/5sccm，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(atomicforcemicroscope原子力顯微鏡)和SEM(scanningelectronmicroscope)掃描電子顯微鏡對(duì)所得到的非晶硅薄膜開(kāi)展定性和定量的表征，并對(duì)a-Si薄膜的厚度、沉積速率、表面形貌和微觀構(gòu)造開(kāi)展了分析和研究，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0.5Pa至2.0Pa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(kāi)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(duì)所制備的非晶硅薄膜開(kāi)展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(duì)非晶硅薄膜表面形貌和厚度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(duì)制備的非晶硅薄膜在不同溫度和時(shí)間開(kāi)展了退火處理。再利用X-射線衍射儀(XRD)和拉曼光譜儀，對(duì)不同退火溫度的樣品開(kāi)展晶化程度的表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：不同條件制備的非晶硅薄膜在750℃退火1h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