准分子激光引起的非晶硅薄膜晶化行为的研究
利用KrF准分子激光对非晶硅薄膜的表层进行了晶化。研究了激光能量密度和照射脉冲数对薄膜结晶度的影响，并对晶化后薄膜的形貌和结构进行了表征。结果表明：该非晶硅薄膜晶化阈值约为110mJ/cm2，且不受照射脉冲数的影响；激光能量密度是影响薄膜结晶度的首要因素，但在较低的能量密度时，增加照射脉冲数也会显著的提高薄膜结晶度；结构及形貌表征发现，薄膜晶化层厚度约为400~500nm，平均晶粒尺寸为30~50nm。
准分子激光晶化（ELC）是一种将非晶硅薄膜转换为多晶硅薄膜的有效方法，目前在薄膜晶体管（TFT）和薄膜太阳能电池领域有着广泛的研究和应用。通常准分子激光工作在紫外光区，非晶硅薄膜对其光子的吸收仅限于表层的几纳米深度；并且由于激光脉宽较窄，非晶硅的融化和结晶过程在纳秒级的短时间内完成，整个晶化过程对于薄膜的衬底几乎没有影响。因此，可以采用廉价衬底，如玻璃，不锈钢等，这对于制造低成本、大面积的高效太阳能电池来说是非常关键的。然而，目前的研究主要集中于将非晶硅薄膜整体晶化，至今很少有文献报道利用该技术来进行薄膜的表层晶化，从而制备微晶硅/ 非晶硅（μc-Si/a-Si）复合薄膜。众所周知，非晶硅薄膜在接受阳光照射时存在光致亚稳效应（SWE），并且对红光及红外波长吸收不足，这些在很大程度上影响了薄膜电池的转换效率及稳定性。而微晶硅薄膜对红外吸收系数高、稳定性好，可以大大弥补非晶硅的不足。因此，这种复合薄膜对于提升薄膜电池的转换效率及稳定性具有巨大的潜力。然而，由于非晶与微晶结构上的差异，使得复合薄膜沉积工艺复杂、制备困难。因此，将ELC技术应用于此，使得复合薄膜制备工艺简单快捷，有着很好的研究和应用前景。
本文采用KrF（波长为248nm）准分子激光对非晶硅薄膜进行晶化处理，制备了μc-Si/a-Si复合薄膜。主要研究了激光能量密度和辐照脉冲数对薄膜结晶度的影响，并且对晶化行为和机制进行了讨论。
1、实验方法
待晶化的非晶硅薄膜通过电子回旋共振-等离子体增强的化学气相沉积（ECR-PECVD）方法制得，采用普通玻璃作为衬底，反应气体为Ar和SiH4。沉积工艺参数为：沉积室本底真空7×10-3Pa，SiH4流量10 sccm，Ar 流量70sccm，沉积温度~300℃，工作压力3.0Pa，微波功率600 W，沉积时间为6h。沉积得到的薄膜厚度约为1.7μm。激光晶化采用Lambda Physik LPX 305iKrF (λ = 248 nm)准分子激光作为辐照源，激光脉宽25 ns，光斑尺寸为30×10mm。实验在室温（25℃）空气条件下进行，采用Ar作为保护气体，激光能量密度为50~300mJ/cm2。采用JEOL JSM-6301F 场发射扫描电子显微镜（FE- SEM） 来进行薄膜形貌观察。利用JYLabram HR 800 激光拉曼光谱仪来进行结晶度的研究，工作气体He- Ne，激光波长632.8nm。采用Tecnai G220透射电子显微镜（TEM）对薄膜进行形貌观察及电子衍射分析。
2、结果分析与讨论
2.1、激光能量密度对薄膜结晶度的影响
激光能量密度直接影响薄膜的晶化效果。图1给出了在不同激光能量密度辐照下薄膜的Raman散射谱。从图中可以看出，在激光能量密度为50mJ/cm2 和80 mJ/cm2 时，Raman谱显示为480cm-1处的非晶包，表明薄膜仍处于非晶状态。当激光能量密度为110 mJ/cm2时，Raman 谱首次出现了520 cm-1处的尖峰，表明薄膜晶化已经开始，晶化阈值110mJ/cm2 在附近，这与真空技术网以往的文章上的结果一致。而且，随着激光能量密度升高，520 cm-1 处的晶体峰越来越强，表明薄膜的结晶度逐渐提高。
图1 不同激光能量密度条件下薄膜的Raman散射谱
为了进一步分析薄膜晶化层中微晶相的比例，我们对Raman 散射谱进行分峰拟合，采用公式Xc=(I520+I510)/(I520+I510+I480)来计算薄膜的结晶度。其中，Xc代表薄膜中微晶相所占的比例，I520、I510、I480分别指对应于520cm- 1，510cm-1和480 cm- 1处进行Lorentzian分解后，三个波峰的相对积分强度。通过计算得到薄膜结晶度对激光能量密度的曲线，如图2所示。从图中可以看出，结晶度随着激光能量密度的增加呈现出先缓慢、再迅速、最后缓慢增加的变化趋势。这是由于：当激光能量密度高于晶化阈值而低于150 mJ/cm2 时，晶化过程刚刚开始，薄膜表面并未出现熔化现象，非晶硅是以固相结晶机制进行晶化，因而结晶度增加缓慢；当激光能量密度超过150 mJ/cm2，即非晶硅薄膜的表面熔化阈值时，由于薄膜表面熔化而使结晶度急剧增加，并且随能量密度升高，薄膜表面熔化的停留时间增加， 熔化的比例增加，因而结晶度迅速增加； 当激光能量密度高于250 mJ/cm2时， 由于薄膜表面晶化程度已经处于较高水平，增长的空间不大，因而结晶度增加缓慢。
图2 结晶度与激光能量密度的关系
