非晶硅薄膜晶化過程的分析

非晶硅薄膜晶化過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)質材料。多晶硅薄膜被公認為是制備高效、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開展了系統(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，但是存在光電轉換效率低，壽命短，穩(wěn)定性不好，并且存在光致衰退效應(S-W效應)等缺點。單晶硅薄膜太陽能電池因為制作工藝和制作成本等原因始終得不到推廣，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較的高遷移率，可以做成大面積、具有快速響應的場效應薄膜晶體管、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、微電子技術中具有廣闊應用前景。

非晶硅薄膜的制備方法有很多，如低壓化學氣相沉積(LPCVD)，等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，直流(射頻)磁控濺射等。生長多晶硅薄膜的方法有：化學氣相沉積包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)、大氣壓強化學氣相沉積(APCVD)、等離子體化學氣相沉積(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，從而轉化為多晶硅薄膜。它的特點是非晶固體發(fā)生晶化的溫度低于其熔融后結晶的溫度。常規(guī)高溫爐退火、快速熱退火、金屬誘導晶化、微波誘導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開展了系統(tǒng)地研究。

1、實驗

1.1、磁控濺射制備非晶硅薄膜

本實驗采用石英玻璃為襯底，實驗前先將玻璃襯底浸泡在丙酮溶液中，放到JHN-4F(200W)超聲波清洗機清洗30min;然后用分析乙醇同樣在超聲波清洗機中清洗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

本實驗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，沉積時間30min，制備得到a-Si：H薄膜樣品。

2、結果及分析

2.1、AFM和SEM表征

本實驗采用AFM(atomicforcemicroscope原子力顯微鏡)和SEM(scanningelectronmicroscope)掃描電子顯微鏡對所得到的非晶硅薄膜開展定性和定量的表征，并對a-Si薄膜的厚度、沉積速率、表面形貌和微觀構造開展了分析和研究，得到如下結論:

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

(2)非晶硅薄膜的表面粗糙度會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，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開展了定性和定量的表征，研究了濺射功率、襯底溫度、濺射時間、氬氣氣壓等因素對非晶硅薄膜表面形貌和厚度的影響。實驗結果說明：非晶硅薄膜的表面粗糙度會隨濺射功率、濺射時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間開展了退火處理。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開展晶化程度的表征。實驗結果說明：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