铝诱导晶化真空蒸镀多晶硅薄膜的研究.pdf

王宙等:铝诱导晶化真空蒸镀多晶硅薄膜的研究
铝诱导晶化真空蒸镀多晶硅薄膜的研究¨
曹健,室谷贵之1,付传起
1.大连大学表面工程中心,辽宇大连11622;2.大连大学机械工程学院,辽宁大连116622)
摘要:采用真空蒸镀的方法在玻璃衬底上沉积1
层非晶硅薄膜,再通过铝诱导晶化的方法制备出晶粒
2实验
分布较均匀、晶粒尺寸0.5~5pm、晶化率达到89%的
实验原料为纯度99.99%的多晶硅粉末。电阻蒸
多晶硅薄膜。研究了衬底距离、村底温度、退火温度对发源为高纯度的石墨片,尺寸为80mmX5.8mm×1
薄膜表面形貌、品晶粒尺寸和分布及品化率的影响。结m。采用普通玻璃为衬底,先用去离子水清洗,再分
果表明适中的衬底距离下得到的薄膜晶粒分布均匀,别用丙、无水乙醇超声清洗5min,最后用去离子水
表面平整度好,薄膜厚度较大。薄膜的晶化率随着衬清洗于净?表面皿中烘干。用DM450A型真空镀膜
底温度和退火湿度的提高而增大;随着退火温度的进机在玻璃衬底表面蒸镀1层非晶硅薄膜,并在非晶硅
步提高,溥膜的晶化率达到最大值然后降低。
薄膜表面蒸镀1层相对较薄的铝膜,通过调节不同的
关键词:多晶硅薄膜;铝诱导晶化;村底温度;退火温工艺参数制备出若干样品。将样品放入箱式电阻炉
度
中,在300~500℃下真空退火一定时间。将样品置于
中图分类号:TB34;O484.
文献标识码
标准铝腐蚀液中腐蚀以去除表面残留的铝
文章编号:1001-9731(2012)05-0573-03
薄膜的表面形貌通过原子力显微镜(AJ-Ⅲ)获得,
薄膜的结晶情况由显微激光拉曼光谱仪( TY Abram
引言
HR800)得到。
由于薄膜太阳能电池工艺可以有效降低硅材料的3结果与讨论
肖耗,从而大大地降低成本,而且能够保证转换效率
困此成为当今科学研究和光伏产业的热点。铜锢硒薄3.1衬底距离对薄膜的影响
莫曾被认为是理想的光伏材料,电池效率可以达到
所谓衬底距离是指衬底到蒸发源的距离。固定衬
5%,然而其制备过程中需要对主要半导体工艺参底温度为350℃,并采用相同的退火条件:退火温度为
女精确控制及原材料不足严重制约着其生产和发
400C,退火时间2h。选衬底距离为50、70、90、100mm
碲化镉薄膜太阳能电池在可见光段有很高的吸
进行实验,所得的薄膜表面形貌分别如图1(a)~(d)。
文系数,太阳能电池转换效率可以达到10%以上,
图1是衬底距离为50mm时所制备的薄膜的形貌,其
晶粒分布很不均匀,薄膜厚度较小,晶粒尺寸为0.5
然而镉是有毒元素,在生产和使用过程中会对环境造1.0pm。这是因为,当衬底距离较小时,蒸发的气体分
不良影响。非晶硅薄膜禁带光吸收性比较强,电池子能力很高,气相分子从蒸发源入射到衬底后,不能很
需做到几微米厚,但是其光致衰退现象非常严重,
好地进行能量交换,…大部分被反射回去。图1(b)相
大降低了人们对它的热情?。多晶硅薄膜能够克
对图1(a)的晶粒尺寸和薄膜厚度有了一定的提高,晶
最以上几种薄膜的缺点,从而成为当前研究的重点和粒尺寸约为1.0~2.5m,这是因为村底距离的增加使
长来发展的趋势。
得气体分子与衬底能够较好地附着,气体分子的能量
目前,多晶硅薄膜常用的制备方法有等离子体增也相对降低,有利于晶核的生长。图1(c)相对于前两
化学气相沉积( PECVD),热终化学气相沉积个图其晶粒尺寸、薄膜厚度、晶粒大小分布都得到明显
HWCVD),准分子激光晶化(ELC),固相晶化的政善,晶粒尺寸为3.0~4.5m,这是因为衬底距离
SPC),快速热处理( RTCVD)等。本文采用真空的进一步増加使得气体分子能量刚好在人射到衬底时
镀法制备非晶薄膜后经铝诱导晶化得到多晶硅薄与衬底发生一定程度的扩散附着,并且能量适中利于
。相比其它方法,该方法具有工艺简单,晶化温度较形成较大的晶核。图1(d)中薄膜的晶粒尺寸为1.0~
晶化时间较短,薄膜晶化率较高?晶粒尺寸较大等2.0m,晶粒尺寸相对图1(c)有一定程度的降低,薄膜
点。通过原子力显微镜、拉曼光谱等分析手段深人的平整度也不好,这主要由于衬底距离过大,人射到衬
究了衬底距离、树底温度、退火温度等对薄膜表面形底的气体分子能量较小,不利于形成厚度大、平整度好
2、晶粒尺寸和分布以及晶化率的影响。
的薄膜,并且能量较小导致形成的晶核较小
*收到初稿日期:2011-08-25
收到修改稿日期:2011-12-28
通讯作者;王宙
作者简介:王宙(1961-),男,黑龙江安达人,博士,教授,主要从事材料表面改佻研究
574
2012年第5期(43)卷
1000.85
500.43
5
0.0
0.0
10
15
)um
15
m
um
1000.85
1000,85
0.0
0.0
(d)
图1不同衬底距离的薄膜样品原子力显微镜图
Fig 1 AFM images of thin film samples under different substrate distances
3.2衬底温度对薄膜的影响
(非晶硅特征峰)、520cm1(多晶硅特征峰)、510cm1
通过自行改造的烘烤系统,可以将衬底温度加热(微晶硅)处进行 Lorentz拟合,将得到的波峰强度带
到800C左右,但是考虑到玻璃衬底的软化温度为入公式中,可计算出多晶硅薄膜的晶化率f。:
600℃左右以及整个真空室的耐高温程度,所以衬底温
+I
f。
度以不超过500℃为宜,实验中衬底温度由铜/康铜热
12o+15o+
电偶来测量。固定衬底距离为90mm,并采用相同的
图3为不同衬底温度下所制备的薄膜晶化率的曲
退火条件:退火温度为400℃,退火时间2b。在衬底温线。从图3中可以看出,随着衬底温度的上升,薄膜的
度分别为250、300、350、400、450C的衬底温度下进行晶化率逐渐升高,达到一定温度后薄膜的晶化率趋于稳
实验。图2即为所得5组样品的拉曼光谱图,(d)谱线
定,增加很缓慢。这是因为晶粒的形成速率主要由晶核
所对应的样品(衬底温度350℃)在514cm处出现了形成速率和晶粒生长速率决定,高的衬底温度有利于退
尖峰,表明薄膜结晶较好。由于晶粒较小以及晶粒间火前晶核的形成。温度高使得原子能量提高,迁移能力
存在应力,使得峰位相对于520cm发生了红移。而増强?所以品粒生长速率快,容易生成大晶粒。
(e)谱线所对应样品(衬底温度400C)在521cm'处出
?92
c90
现尖峰,且特征峰的强度更高,谱线对称性好,说明薄
88
86
膜在450℃的衬底温度下的晶粒尺寸较大,晶化程度
较高。(a)、(b)、(c)3条谱线的峰强度则较低,峰的对
os
82
680
称性不好,说明其晶粒尺寸较小。
Substrat
te temperaturel/℃
wwr(400℃
图3不同衬底温度的样品晶化率曲线
(e?)450℃
Fig 3 Crystalline volume fraction curve for