氧化铝膜对铝诱导制备多晶硅薄膜的影响
为了考察硅铝界面氧化铝膜对铝诱导多晶硅的影响,本文用磁控溅射方法制备了界面有无氧化铝膜的硅铝复合结构。XRD 测试表明两种铝诱导方法均制备了具有(111) 高度择优取向的多晶硅薄膜。光学显微镜和扫描电镜照片显示,有氧化铝膜时铝诱导的多晶硅薄膜有两层,下层为大晶粒(40μm - 60μm) 枝晶状多晶硅,拉曼谱显示其结晶质量接近单晶,而上层膜晶粒较小,结晶质量较差。无氧化铝膜时铝诱导的多晶硅薄膜只有单层结构,其晶体结构和结晶质量都与有氧化铝膜时铝诱导的上层多晶硅薄膜相似。结果表明,硅铝界面上氧化铝的存在大大提高了铝诱导多晶硅薄膜的质量,但是另一方面也限制了铝诱导多晶硅的晶化速率。
金属诱导多晶硅是一种在玻璃等廉价的衬底低温制备多晶硅薄膜的方法。自1999 年UNSW 大学的Nast 等以玻璃为衬底制备了Al 诱导多晶硅薄膜后,国内外学者对此产生浓厚的兴趣,相继开展了铝、镍 、金等不同金属诱导多晶硅薄膜生长的研究。金属诱导多晶硅薄膜的应用研究也取得很大进展:UNSW大学的Aberle 等以玻璃为衬底制备了铝诱导多晶硅薄膜,并以此为籽晶层外延生长多晶硅薄膜,制备了效率为2.2%的太阳能电池。他们预测:经工艺优化,上述方法制备的太阳能电池效率有望达到10%。比利时的I. Gordon 等以Al2O3 陶瓷为衬底,制备了铝诱导多晶硅籽晶层,在其上用热壁CVD 法生长多晶硅,并制备了效率为8 %的薄膜太阳能电池。
但是由于金属诱导过程本身的影响因素多,机理比较复杂,因此机理的研究很不充分。Al/a - Si 界面氧化铝薄膜在铝诱导形成连续的多晶硅薄膜的过程中起着至关重要的作用 。因此研究Al/a - Si 界面氧化铝膜对铝诱导多晶硅薄膜的影响,对于铝诱导多晶硅薄膜的机理研究起着十分重要的作用。Schneider 等研究了氧化铝薄膜对多晶硅薄膜( 100) 择优取向的影响, 并建立了简单的模型。Stoger-Pollach 等研究了氧化铝膜在退火中的相变及其对铝诱导多晶硅薄膜的影响 。但是两者对于氧化铝膜对铝诱导多晶硅薄膜的影响说法不一致,前者认为γ- Al2O3 易诱导生成(111) 择优取向的多晶硅, 而后者认为γ - Al2O3 易诱导形成(100)择优取向的多晶硅。因此研究氧化铝膜对铝诱导多晶硅薄膜性能的影响有助于考察氧化铝膜对铝诱导制备多晶硅薄膜的作用。
本文比较了Al/ a - Si 界面有无氧化铝膜时铝诱导多晶硅薄膜的结构、形貌及结晶性能,并讨论了氧化铝膜在铝诱导制备多晶硅薄膜过程中的机理。
1、实验方法
以康宁Eagle2000 玻璃为衬底,分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min 后,氮气吹干。用国产JGP- 500 型磁控溅射仪先后在经过上述处理的衬底上沉积370nm 厚的铝薄膜和420nm 厚的非晶硅薄膜。沉积铝薄膜的条件如下:本底真空1.0 ×10 - 4 Pa ,直流溅射,功率60W ,Ar 气压1.0Pa 。沉积非晶硅薄膜的条件如下:本底真空1.0 ×10- 4 Pa ,射频溅射,功率100W ,Ar 气压1.5Pa 。为了比较有无氧化铝膜的区别,制备的薄膜分两组:1 # 样品沉积铝薄膜后置于空气中自然氧化数十小时生成氧化铝薄膜后再沉积非晶硅薄膜,制备出glass/ Al/ Al2O3/ a- Si 结构;2 # 样品铝薄膜不经氧化直接在其上沉积非晶硅薄膜,制备出glass/ Al/ a - Si 结构。沉积了铝和非晶硅薄膜的1 # 和2 # 样品同时置于真空管式炉中,通入氮气,于500 ℃退火7h 以使非晶硅在铝诱导下生成多晶硅。最后,将样品置于铝标准腐蚀液(80 %H3PO4 + 5 %HNO3 + 5 %HAc + 10 %去离子水)中腐蚀15min 以去除表面的铝。
利用x 射线衍射仪(XRD ,Bruker D8 Advance) 分析薄膜样品的晶体结构,采用CuKa 作为辐射源,λ= 0.154nm;用场发射扫描电镜(SEM,LEO - 1530VP)和光学显微镜(上海长方CMM - 50) 分析薄膜的形貌;用台阶仪(AMBIOS ,XP - 1) 测量薄膜厚度;用配有光学显微镜的微区激光拉曼光谱仪( RMS ,T64000) 分析薄膜的结晶性能,采用Ar + 激光,λ=514.5nm ,光斑大小为1μm。
2、结果与讨论
2.1、多晶硅薄膜晶体结构比较
图1 是1#和2 # 多晶硅薄膜的XRD 谱,测试前样品经铝标准腐蚀液腐蚀去除铝。由图可见,glass/Al/Al2O3/ a-Si 和glass/ Al/ a-Si 两种结构均可以诱导生成多晶硅薄膜,且所制备的多晶硅均为(111) 高度择优取向,其中1 # 样品的衍射角2θ为28.5°,半高宽为0.1674°,2 # 样品的衍射角2θ为28.24°,半高宽为0.1712°。1 # 样品与Si (111) 的标准衍射角2θ28147°接近,而2 # 样品的衍射角2θ向小角度方向偏移,根据布拉格方程:2 dsinθ= nλ,在λ不变的情况下,2θ变小,表明晶面间距d 变大,薄膜中存在平行于薄膜表面的压应力。
根据Scherrer 公式:
D = kλ/βcosθ
其中,D 为晶粒尺寸( nm) ; k 为Scherrer 常数,其值为0.89 ;λ为X射线波长,为0.154056 nm;β为积分半高宽(rad) ;θ为衍射角(°) 。计算出1 # 和2 #样品晶粒大小分别为48.4nm 和47.3nm ,两者差别不大。
1 # 和2 # 多晶硅薄膜晶体结构的比较表明氧化铝膜不影响多晶硅薄膜择优取向的形成,但是氧化铝膜的存在使生成的多晶硅薄膜的应力减小。
图1 1 # 和2 # 多晶硅薄膜的XRD 谱
2.2、多晶硅薄膜的形貌比较
在透射光学显微镜下多晶硅呈黄色,非晶硅呈桔红色,铝为黑色。退火前,由于glass/ Al/ Al2O3/ a-Si 和glass/ Al/ a-Si 两种叠层中均含有铝,因此其在透射显微镜下均不透光,照片呈黑色。
图2 1 # 和2 # 多晶硅薄膜表面的光学显微镜和SEM照片
图2 是1 # 和2 # 样品退火后的光学显微图(原图为彩色,本文处理成黑白色) 和表面SEM 照片,其中:1 # (a) 和2 # (a) 分别是1 # 和2 # 样品腐蚀铝前的透射光学显微图;1 # (b) 和2 # (b) 分别是1 # 和2 # 样品腐蚀铝后的透射光学显微图,1 # (a) 和1 # (b) 的右上角插图为从玻璃衬底侧观察的同一样品反面的反射光学显微图;1 # (c) 是1 # 样品去除铝后经1 %HF溶液浸泡剥离后转移到载波片上的薄膜的反射光学显微图;2 # (c) 是2 # 样品的表面SEM图。
