非晶硅薄膜晶化过程的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)汕头大学物理系 作者:黄木香

  多晶硅薄膜具有较高的电迁移率和稳定的光电性能,是制备微电子器件、薄膜晶体管、大面积平板液晶显示的优质材料。多晶硅薄膜被公认为是制备高效、低耗、最理想的薄膜太阳能电池的材料。因此,如何制备多晶硅薄膜是一个非常有意义的研究课题。固相法是制备多晶硅薄膜的一种常用方法,它是在高温退火的条件下,使非晶硅薄膜通过固相相变而成为多晶硅薄膜。本文采用固相法,利用X- ray 衍射及拉曼光谱,对用不同方法制备的非晶硅薄膜的晶化过程进行了系统地研究。

  在硅薄膜太阳能电池材料中,非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺相对简单,但是存在光电转换效率低,寿命短,稳定性不好,并且存在光致衰退效应(S-W 效应)等缺点。单晶硅薄膜太阳能电池因为制作工艺和制作成本等原因始终得不到推广,而多晶硅薄膜材料在长波段具有光敏性,能有效的吸收可见光并且具有光照稳定性。

  因此,如何让非晶硅转化为多晶硅具有非常重要的研究意义,多晶硅薄膜太阳能电池已经成为目前最具发展前景的研究课题之一。另一方面,大晶粒的多晶硅薄膜具有与晶体硅可相比拟的高迁移率,可以做成大面积、具有快速响应的场效应薄膜晶体管、传感器等光电器件,从而在开辟新一代大阵列的液晶显示技术、微电子技术中具有广阔应用前景。

  非晶硅薄膜的制备方法有很多,如低压化学气相沉积(LPCVD),等离子体增强化学气相沉积(PECVD),直流(射频)磁控溅射等。生长多晶硅薄膜的方法有:化学气相沉积包括低压化学气相沉积(LPCVD)、大气压强化学气相沉积(APCVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)以及液相生长、激光再晶化和固相晶化法(SPC)等。固相晶化法是指在(高温)退火的条件下,使固态非晶硅薄膜的硅原子被激活、重组,从而转化为多晶硅薄膜。它的特点是非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。常规高温炉退火、快速热退火、金属诱导晶化、微波诱导晶化等都属于固相晶化的范畴。本文采用PECVD 和磁控溅射方法在不同的条件下制备了a- Si: H 和a- Si 薄膜,并采取高温退火和激光诱导晶化的方式,利用X- 射线衍射及拉曼光谱,对制备的非晶硅薄膜晶化过程进行了系统地研究。

1、实验

1.1、磁控溅射制备非晶硅薄膜

  本实验采用石英玻璃为衬底,实验前先将玻璃衬底浸泡在丙酮溶液中,放到JHN- 4F(200 W)超声波清洗机清洗30 min;然后用分析乙醇同样在超声波清洗机中清洗30 min; 最后放入装有去离子水的烧杯中在超声波清洗器中清洗约30 min 后晾干。然后以高纯硅为靶材在JGP500型超高真空磁控溅射设备上,分别采用直流和射频方式制备了两块样品。在溅射前,预溅射5 min以除去靶材表面氧化物。1# 样品采用直流磁控溅射方式, 溅射功率为100 W, 本底真空度6×10- 4 Pa , 溅射时间20 min,溅射气压0.5 Pa,衬底温度为室温。2#样品采用射频磁控溅射方式,溅射功率150 W,本底真空度6×10- 4 Pa,溅射时间120 min,溅射气压2.0 Pa,衬底温度为室温。样品1# 和2# 均切为3 小块,其中各保留一小块不做退火处理,其他的小块样品处理情况为1#750℃、1#850℃,2#750℃、2#850℃在马弗炉中退火1h。将1# 和2#未处理样品用拉曼激光诱导方法,研究非晶硅薄膜的晶化过程。

1.2、PECVD 制备氢化非晶硅薄膜

  本实验采用单晶硅片为衬底,按石英玻璃基片的清洗步骤清洗后烘干,然后置于PECVD系统中。样品制备条件为衬底温度250℃,工作气压120 Pa, 射频功率100 W, 气体流量SiH4/H2=15/5 sccm, 沉积时间30min, 制备得到a- Si:H 薄膜样品。

2、结果及分析

2.1、AFM 和SEM 表征

  本实验采用AFM (atomic force microscope 原子力显微镜)和SEM(scanning electron microscope)扫描电子显微镜对所得到的非晶硅薄膜进行定性和定量的表征,并对a- Si 薄膜的厚度、沉积速率、表面形貌和微观结构进行了分析和研究,得到如下结论:

  (1) 非晶硅薄膜的表面粗糙度会随着溅射功率的增大而增大,膜的均匀性将会变差;

  (2) 非晶硅薄膜的表面粗糙度会随着衬底加热温度的增大而减小,非晶硅薄膜的均匀性变好;

  (3) 在0.5 Pa 至2.0 Pa 的范围内,随着氩气气压的增加非晶硅薄膜的表面粗糙度稍微变大;

  (4) 随着溅射时间的增加, 膜的厚度成非线性增加,沉积速率开始较快,之后逐渐减慢,膜的表面粗糙度逐渐变大;

  (5)随着溅射气压的增大,沉积速率有所降低。

3、结论

  本文利用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM),对所制备的非晶硅薄膜进行了定性和定量的表征,研究了溅射功率、衬底温度、溅射时间、氩气气压等因素对非晶硅薄膜表面形貌和厚度的影响。实验结果表明:非晶硅薄膜的表面粗糙度会随溅射功率、溅射时间和溅射气压的增加而增大,而随着衬底加热温度的增加而减小。

  对制备的非晶硅薄膜在不同温度和时间进行了退火处理。再利用X- 射线衍射仪(XRD)和拉曼光谱仪,对不同退火温度的样品进行晶化程度的表征。实验结果表明:不同条件制备的非晶硅薄膜在750℃退火1 h 后就已发生不同程度的晶化,并且直流磁控溅射制备的非晶硅薄膜比射频磁控溅射制备的非晶硅薄膜更容易发生晶化;退火温度越高,非晶硅薄膜晶化速率越快。

  此外,通过拉曼激光诱导晶化,结果表明:拉曼激光诱导非晶硅晶化为局域晶化,具有晶化速度快的特点;晶化过程中,需要控制激光强度,过强的激光会把非晶硅薄膜烧蚀掉。

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