铝诱导晶化低温制备多晶硅薄膜的机理研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州交通大学 作者:王成龙

  根据热力学第二定律的Gibbs自由能描述,理论研究了铝诱导晶化(AIC)制备多晶硅薄膜的铝诱导层交换(ALILE)机理。用数学模型描述了ALILE过程中a-Si原子通过Al2O3缓冲层向铝层扩散的动力学过程。在此模型框架下,根据多晶硅薄膜制备过程中退火温度和Al2O3缓冲层的制备条件,对成核之前铝层中硅原子的浓度随时间的变化和成核时间变化的关系进行深入的理论研究,试验验证了理论计算结果;通透射电子显微镜测量了不同退火温度下的非晶硅微孔深度,根据理论研究计算得到了非晶硅溶解到铝膜中的激活能EA为0.57eV。

  大颗粒多晶硅(Poly-Si)薄膜具有晶体硅材料的性能与电学结构,在太阳能电池、薄膜晶体管(TFT)以及压敏电阻材料领域具有广泛的应用前景,尤其在太阳能电池领域因其能显著降低电池制造成本而成为薄膜太阳能电池研究的热点。目前,对于多晶硅薄膜的制备方法有直接沉积制备,如等离子增强化学气相沉积(PECVD)和热丝化学气相沉积(HWCVD)等,以及先在基底沉积非晶态硅薄膜(a-Si),再利用其它手段晶化非晶硅薄膜,得到多硅薄膜的方法,如固相晶化(SPC)法、激光晶化(LIC)法等。直接制备法得到的薄膜多为微晶硅或微晶

  硅掺杂非晶硅薄膜,晶粒较小,电学性能较差。虽SPC以及LIC等方法得到的多晶硅薄膜性能优良但晶化温度较高,能耗较大,更为主要的是对基底材料的耐温性提出了苛刻的要求。铝诱导晶化(AIC)法则是一种能在廉价基底(常用玻璃)上低温(<577℃)制备大颗粒多晶硅薄膜有效降低器件成本的有潜力的方法。

  AIC制备多晶硅薄膜的过程既是将玻璃/Al/Al2O3/a-Si结构330~550℃下退火几小时到1h,得到晶粒在100nm甚至几十微米的多晶硅薄膜。关于AIC过程的研究已经有很多报道。截至目前为止,已经有在100℃下制备多晶硅薄膜的报道。但是通过AIC制备的是铝原子重掺杂并且薄膜厚度受限,因此制备的多晶硅薄膜适合于多晶硅薄膜的p+层或者是多晶硅薄膜吸收层的晶籽层(seedlayer),因此深刻认识AIC制备多晶硅薄膜的机理对于降低晶化温度以及掺杂率具有重要的理论指导意义。O.Nast等通过实验研究,提出了AIC的铝诱导层交换(ALILE)晶化机理。Widenborg等研究了铝诱导晶化制备多晶硅薄膜过程中多晶硅薄膜的表面形貌,并建立了一个原理模型来解释ALILE过程。但是对于AIC机理还需要有进一步的认识。

  本文根据热力学第二定律的Gibbs自由能描述,理论研究了AIC制备多晶硅薄膜的ALILE机理,同时结合理论研究和实验结果理论计算了AIC制备多晶硅薄膜的激活能。

  1、AIC低温制备多晶硅薄膜的机理研究

  1.1、ALILE过程的动力学描述

  Al/a-Si界面由于a-Si浓度梯度以及a-Si原子的较高的Gibbs自由能,Si-Si键断裂并通过扩散的方式渗入铝膜,与铝原子相互作用形成Al-Si键,在Al/a-Si界面附近形成非共融的硅铝化合物,Si-Si键由饱和键转变为非饱和键,Si-Si键的键能降低,同时形成非稳定态的硅铝化合物,且Al-Si键断裂所需能量较低;Si原子在Al膜中的浓度超过了退火温度下的临界浓度后,硅原子继续扩散便开始成核结晶,晶核周围一定区域内的Si原子向晶核移动并使晶核长大形成晶粒,同时在周围形成Si原子耗尽区。上层的Si原子由于浓度梯度会持续扩散到耗尽区,晶粒持续长大。Si晶粒在Al膜中向各个方向生长,当到达Al/玻璃界面时,晶粒的生长受到玻璃基底的束缚,便在玻璃基底表面横向生长,直到与相邻晶粒交汇。根据Si-Al相图,Al在晶体硅中的溶解度很低,Al原子被不断长大的晶粒“排挤”并向Al/a-Si界面扩散最终扩散到a-Si层中。经过上述过程,Al原子扩散到上层a-Si层的位置,相同厚度的a-Si原子则扩散到下层Al膜的初始位置,形成多晶硅薄膜,Al层和Si层完成了位置交换。因为多晶硅的Gibbs自由能比非晶硅的小,因此生成的多晶硅薄膜是稳定的,也即ALILE是不可逆的过程。

  1.2、AIC机理理论研究

  1.2.1、建模过程描述

  图1给出了ALILE过程模型。ALILE过程中,将基底/Al/Si在低于577℃下退火。由于浓度梯度,硅原子将通过铝和a-Si层之间的氧化铝缓冲层扩散到铝膜中(step1);当硅原子在铝层中的浓度达到成核的饱和浓度Cs后,成核现象发生(step2);铝膜中硅原子的扩散(step3),源源不断地供应硅原子使硅晶粒(核)逐渐长大(step4);逐渐长大的硅颗粒替代了下层的铝原子并将其“推挤”到表面(step5),硅铝层相互交换位置,完成ALILE过程,多晶硅薄膜生成,最终结构为基底/poly-Si/Al(Si)。本文将对硅原子通过氧化铝缓冲层扩散,以及在铝层中硅晶粒成核之前硅铝化合物的形成(step1)进行理论模拟研究;用数学模型来描述ALILE过程中step1的动力学过程;在此框架下,根据退火温度和氧化铝缓冲层的实验制备条件,对初始阶段硅成核之前铝层中硅原子的浓度随时间以及成核时间进行研究。

铝诱导层交换模型

图1 铝诱导层交换模型

  结论

  根据Gibbs自由能理论,理论研究了ALILE过程中a-Si原子通过Al2O3缓冲层向铝层扩散的动力学过程,得到了非晶硅原子通过Al2O3缓冲层的扩散系数Dmem与激活能EA和退火温度T之间的关系。理论计算结果很好地对应了阿列纽斯函数,说明非晶硅原子在Al2O3中的扩散控制硅原子在铝层中的扩散动力学特性;通过TEM测量了不同退火温度下的非晶硅原子融入铝膜的微孔深度,根据理论研究结果计算得到了非晶硅溶解到铝膜中的激活能Ea为0.57eV。对比将多晶硅溶解到铝膜中的激活能(Ea=0.79eV),说明铝层在裂解非晶硅原子的作用中具有重要作用。

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